Obliczanie wydajności reakcji chemicznej

Rozwiązywanie zadań, w treści których pojawia się hasło: wydajność reakcji chemicznej nierzadko stanowi spore wyzwanie dla przyszłych maturzystów. W tym wpisie pokażę, krok po kroku, jak rozwiązać jeden z trzech typów zadań związanych z wydajnością. W mojej ocenie jest to typ najprostszy. Jednak jego dobre zrozumienie pomoże dobrze poradzić sobie z pozostałymi dwoma typami zadań. Poza tym treningu nigdy za wiele. 🙂 Przykładowe zadanie wraz z rozwiązaniem poniżej.

Tlen można otrzymać w reakcji rozkładu termicznego manganianu (VII) potasu. Opisaną reakcję ilustruje równanie: \[2KMnO_4 \xrightarrow{T} K_2 MnO_4 + MnO_2 + O_2 \] W wyniku rozkładu termicznego $25\ g$ manganianu (VII) potasu otrzymano $1,5\ dm^3$ tlenu w przeliczeniu na warunki normalne. Oblicz wydajność reakcji.

Rozwiązanie zadania:

Rozwiązanie zadania z obliczaniem wydajności reakcji można podzielić na dwa etapy.

Etap 1 – Obliczamy teoretyczną ilość produktu wykorzystując metodę 6 kroków

Zaczynamy od obliczenia objętości tlenu, który powstaje w reakcji rozkładu 25 g manganianu (VII) potasu zgodnie ze stechiometrią. Na tym etapie nie zwracamy uwagi na objętość tlenu, którą w praktyce otrzymano. Postępujemy tak, jakby reakcja zachodziła ze 100% wydajnością.
Skorzystamy z “metody 6 kroków”. Dokładnie omawiam ją w kursie 3 dotyczącym mola i stechiometrii. Link znajdziesz tutaj.

Krok 1. Zapisujemy równanie zachodzącej reakcji chemicznej.

W większości obecnie pojawiających się na egzaminach zadań równania zachodzących reakcji chemicznych są podane w treści zadania lub w informacji wstępnej. Tak też jest w tym zadaniu, co czyni ten krok najłatwiejszym ze wszystkich.

Krok 2. Dobieramy współczynniki stechiometryczne.

W tym zadaniu równanie zachodzącej reakcji wraz z uzgodnionymi współczynnikami stechiometrycznymi zostało podane. Rzadko zdarza się, aby w zadaniu podane było równanie bez dobranych współczynników. Chyba, że mowa o zadaniach z dobieraniem współczynników reakcji redoks, ale to inny temat 🙂 \[2KMnO_4 \xrightarrow{T} K_2 MnO_4 + MnO_2 + O_2 \]

Krok 3. Podkreślamy istotne reagenty.

W tym zadaniu mowa o $KMnO_4$ oraz tlenie.\[ \underline{2KMnO_4} \xrightarrow{T} K_2 MnO_4 + MnO_2 + \underline{O_2} \]

Krok 4. Wybieramy jednostki dla podkreślonych reagentów.

Dla manganianu (VII) potasu będzie to jednostka masy (g), ponieważ w zadaniu jest informacja o 25 g tego reagenta. Dla tlenu jednostka to $dm^3$, ponieważ mamy do czynienia z gazem będącym w warunkach normalnych.\[ \underset{g}{\underline{2KMnO_4}} \xrightarrow{T} K_2 MnO_4 + MnO_2 + \underset{dm^3}{\underline{O_2}} \]

Krok 5. Zapisujemy dane teoretyczne wynikające z układu okresowego oraz naszej wiedzy.

W równaniu reakcji występują 2 mole manganianu (VII) potasu. Masa molowa $KMnO_4$ z układu okresowego to $158\ g·mol^{-1}$. Dlatego zapisujemy: \[2\ mol · 158\ g·mol^{-1} = 316\ g\]W równaniu występuje również jeden mol $O_2$. Jak pamiętamy, 1 mol każdego gazu (doskonałego) w warunkach normalnych zajmuje objętość $22,4\ dm^{3}$.\[ \underset{316\ g}{\underline{2KMnO_4}} \xrightarrow{T} K_2 MnO_4 + MnO_2 + \underset{22,4\ dm^3}{\underline{O_2}} \]

Krok 6. Zapisujemy dane z zadania i niewiadomą.

Obliczamy, ile tlenu można otrzymać z 25 g $KMnO_4$ zakładając 100% wydajność reakcji. Zgodnie z treścią zadania dysponujemy 25 g manganianu (VII) potasu. Objętość tlenu obliczamy, dlatego tam pojawia się niewiadoma, na przykład “x”. \[ \underset{25\ g}{\underset{316\ g}{\underline{2KMnO_4}}} \xrightarrow{T} K_2 MnO_4 + MnO_2 + \underset{x\ dm^3}{\underset{22,4\ dm^3}{\underline{O_2}}} \] Otrzymujemy: $x = 1,77\ dm^3$.

Etap 2 – Obliczamy wydajność reakcji

Na drugim etapie wykorzystujemy informację o otrzymanej w rzeczywistości objętości tlenu. Jeśli wydajność nie wynosi 100% to znaczy, że produktu powstaje mniej, niż wynika to ze stechiometrii reakcji. W pierwszym etapie obliczyliśmy, że z 25 g przy 100% wydajności powinno powstać 1,77 dm³ tlenu. Z treści zadania wynika natomiast, że otrzymano w praktyce 1,5 dm³ tlenu. Układamy proporcję: \[1,77\ dm^3-100\% \]\[ 1,5\ dm^3-y\ \% \] Otrzymujemy: $y = 85\%$

Odpowiedź: Wydajność reakcji wynosi 85%.

Czy macie jakieś pytania albo uwagi? A może zauważyliście literówkę albo błąd? Piszcie w komentarzach.

PS: Dokładne omówienie tego zadania znajdziecie w Zadaniu Dnia #13 na moim kanale na YouTube: