4.5: Mazao ya Majibu

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188028

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza dhana za mavuno ya kinadharia na kupunguza vitendanisho/vitendanishi.
Kupata mavuno ya kinadharia kwa mmenyuko chini ya hali maalum.
Tumia mavuno ya asilimia kwa mmenyuko.

Kiasi cha jamaa cha reactants na bidhaa zinazowakilishwa katika usawa wa kemikali ya usawa mara nyingi hujulikana kama kiasi cha stoichiometric. Mazoezi yote ya moduli iliyotangulia yalihusisha kiasi cha stoichiometric cha reactants. Kwa mfano, wakati wa kuhesabu kiasi cha bidhaa zinazozalishwa kutoka kiasi fulani cha reactant, ilikuwa kudhani kuwa reactants nyingine yoyote required walikuwa inapatikana kwa kiasi stoichiometric (au zaidi). Katika moduli hii, hali ya kweli zaidi inachukuliwa, ambayo majibu haipo katika kiasi cha stoichiometric.

Kupunguza Reactant

Fikiria mlinganisho mwingine wa chakula, ukifanya sandwiches ya jibini iliyohifadhiwa (Mchoro 4.13):

Kipande 1 cha jibini + 2 vipande vya mkate ⟶ Sandwich 1

Kiasi cha stoichiometric cha viungo vya sandwich kwa mapishi hii ni vipande vya mkate na jibini katika uwiano wa 2:1. Kutokana na vipande 28 vya mkate na vipande 11 vya jibini, mtu anaweza kuandaa sandwiches 11 kwa mapishi yaliyotolewa, kwa kutumia jibini yote iliyotolewa na kuwa na vipande sita vya mkate vilivyoachwa. Katika hali hii, idadi ya sandwiches iliyoandaliwa imepunguzwa na idadi ya vipande vya jibini, na vipande vya mkate vimetolewa kwa ziada.

Takwimu hii ina safu tatu zinazoonyesha viungo vinavyohitajika kufanya sandwich. Mstari wa kwanza unasoma, “Sandwich 1 = 2 vipande vya mkate + kipande 1 cha jibini.” Vipande viwili vya mkate na kipande kimoja cha jibini huonyeshwa. Mstari wa pili unasoma, “Inatolewa na: vipande 28 vya mkate + vipande 11 vya jibini.” Kuna vipande 28 vya mkate na vipande 11 vya jibini vilivyoonyeshwa. Mstari wa tatu unasoma, “Tunaweza kufanya: sandwiches 11 + vipande 6 vya mkate vilivyoachwa.” Sandwichi 11 zinaonyeshwa na vipande sita vya ziada vya mkate.

Kielelezo 4.13 Sandwich kufanya inaweza kuonyesha dhana ya kikwazo na reactants ziada.

Fikiria dhana hii sasa kuhusiana na mchakato wa kemikali, mmenyuko wa hidrojeni na klorini ili kuzalisha kloridi hidrojeni:

H_{2} (g) + {Cl}_{2} (g) ⟶ 2hCl (g)

Equation uwiano inaonyesha hidrojeni na klorini kuguswa katika uwiano wa stoichiometric 1:1. Kama reactants hizi hutolewa kwa kiasi kingine chochote, moja ya reactants itakuwa karibu kila mara kabisa zinazotumiwa, hivyo kupunguza kiasi cha bidhaa ambayo inaweza kuzalishwa. Dutu hii ni reactant kikwazo, na dutu nyingine ni reactant ziada. Kutambua kikwazo na reactants ziada kwa hali fulani inahitaji kompyuta kiasi molar ya kila reactant zinazotolewa na kulinganisha yao kwa kiasi stoichiometric kuwakilishwa katika uwiano kemikali equation. Kwa mfano, fikiria kuchanganya moles 3 ya H ₂ na 2 moles ya Cl ₂. Hii inawakilisha uwiano wa 3:2 (au 1. 5:1) wa hidrojeni hadi klorini iliyopo kwa mmenyuko, ambayo ni kubwa kuliko uwiano wa stoichiometric wa 1:1. Kwa hiyo, hidrojeni iko kwa ziada, na klorini ni reactant kikwazo. Majibu ya klorini yote iliyotolewa (2 mol) itatumia 2 mol ya 3 mol ya hidrojeni iliyotolewa, na kuacha 1 mol ya hidrojeni haijatambuliwa.

Njia mbadala ya kutambua reactant kikwazo inahusisha kulinganisha kiasi cha bidhaa inatarajiwa kwa majibu kamili ya kila reactant. Kila kiasi kinachotumiwa kinatumiwa kuhesabu tofauti kiasi cha bidhaa ambacho kitaundwa kwa stoichiometry ya mmenyuko. Mtazamo wa kutoa kiasi kidogo cha bidhaa ni reactant kikwazo. Kwa mfano katika aya iliyotangulia, majibu kamili ya hidrojeni bila mavuno

mol HCl zinazozalishwa = 3 mol H_{2} \times \frac{2 ml HCl}{1 mol H_{2}} = 6 ml HCl

Kamili mmenyuko wa klorini zinazotolewa bila kuzalisha

mol HCl zinazozalishwa = 2 mol {Cl}_{2} \times \frac{2 ml HCl}{1 mol {Cl}_{2}} = 4 ml HCl

Klorini itatumiwa kabisa mara moja 4 moles ya HCl zimezalishwa. Kwa kuwa hidrojeni ya kutosha ilitolewa ili kuzalisha moles 6 za HCl, kutakuwa na hidrojeni isiyojitokeza iliyobaki mara moja mmenyuko huu ukamilifu. Kwa hiyo, klorini ni reactant kikwazo na hidrojeni ni reactant ziada (Kielelezo 4.14).

Takwimu inaonyesha mifano ya Masi ya kujaza nafasi inayojibu. Kuna mshale wa majibu unaoelekeza upande wa kulia katikati. Kwa upande wa kushoto wa mshale wa mmenyuko kuna molekuli tatu kila moja yenye nyanja mbili za kijani zilizounganishwa pamoja. Pia kuna molekuli tano kila moja yenye nyanja mbili ndogo, nyeupe zilizounganishwa pamoja. Juu ya molekuli hizi ni studio, “Kabla ya mmenyuko,” na chini ya molekuli hizi ni studio, “6 H subscript 2 na 4 C l subscript 2.” Kwa haki ya mshale wa mmenyuko, kuna molekuli nane kila moja yenye nyanja moja ya kijani iliyounganishwa na nyanja ndogo nyeupe. Pia kuna molekuli mbili kila moja yenye nyanja mbili nyeupe zilizounganishwa pamoja. Juu ya molekuli hizi ni studio, “Baada ya mmenyuko,” na chini ya molekuli hizi ni studio, “8 H C l na 2 H subscript 2.”

Kielelezo 4.14 Wakati H ₂ na Cl ₂ zimeunganishwa kwa kiasi cha nonstoichiometric, mojawapo ya majibu haya yatapunguza kiasi cha HCl ambacho kinaweza kuzalishwa. Mfano huu unaonyesha mmenyuko ambao hidrojeni iko katika ziada na klorini ni reactant kikwazo.

Unganisha na Kujifunza

Tazama simulation hii maingiliano kuonyesha dhana ya kikwazo na reactants ziada.

Mfano 4.12

Kutambua Reactant ya Kupunguza

Nitridi ya silicon ni kauri ngumu sana, ya juu-joto-sugu kutumika kama sehemu ya vile turbine katika inji za ndege. Imeandaliwa kulingana na equation ifuatayo:

3Si (s) + 2 N_{2} (g) ⟶ {na}_{3} N_{4} (s)

Ambayo ni reactant kikwazo wakati 2.00 g ya Si na 1.50 g ya N ₂ kuguswa?

Suluhisho

Compute zinazotolewa kiasi molar ya reactants, na kisha kulinganisha kiasi hiki kwa equation uwiano kutambua reactant kikwazo.

mol Si = 2.00 g Si \times \frac{1 ml Si}{28.09 g Si} = 0.0712 mlo Si

mol N_{2} = 1.50 g N_{2} \times \frac{1 mol N_{2}}{28.02 g N_{2}} = 0.0535 mol N_{2}

Uwiano wa Si:N ₂ molar uliotolewa ni:

\frac{0.0712 mlo Si}{0.0535 mol N_{2}} = \frac{1.33 ml Si}{1 mol N_{2}}

Uwiano wa stoichiometric Si:N ₂ ni:

\frac{3 mol Si}{2 mol N_{2}} = \frac{1.5 ml Si}{1 mol N_{2}}

Kulinganisha uwiano huu unaonyesha kwamba Si hutolewa kwa kiasi chini-kuliko stoichiometric, na hivyo ni reactant kikwazo.

Vinginevyo, compute kiasi cha bidhaa inatarajiwa kwa majibu kamili ya kila moja ya reactants zinazotolewa. Moles 0.0712 ya silicon ingekuwa mavuno

mol {na}_{3} N_{4} zinazozalishwa = 0.0712 mlo Si \times \frac{1 mol {na}_{3} N_{4}}{3 mol Si} = 0.0237 ml {na}_{3} N_{4}

wakati moles 0.0535 ya nitrojeni bila kuzalisha

mol {na}_{3} N_{4} zinazozalishwa = 0.0535 mol N_{2} \times \frac{1 mol {na}_{3} N_{4}}{2 mol N_{2}} = 0.0268 ml {na}_{3} N_{4}

Kwa kuwa silicon hutoa kiasi kidogo cha bidhaa, ni reactant kikwazo.

Angalia Kujifunza Yako

Ambayo ni reactant kikwazo wakati 5.00 g ya H ₂ na 10.0 g ya O ₂ kuguswa na kuunda maji?

Jibu:

O ₂

Asilimia mavuno

Kiasi cha bidhaa ambacho kinaweza kuzalishwa na mmenyuko chini ya hali maalum, kama ilivyohesabiwa kwa stoichiometry ya usawa sahihi wa kemikali, inaitwa mavuno ya kinadharia ya mmenyuko. Katika mazoezi, kiasi cha bidhaa zilizopatikana huitwa mavuno halisi, na mara nyingi ni chini ya mavuno ya kinadharia kwa sababu kadhaa. Baadhi ya athari ni asili isiyo na ufanisi, ikifuatana na athari za upande zinazozalisha bidhaa nyingine. Wengine, kwa asili, hawajakamilika (fikiria athari za sehemu za asidi dhaifu na besi zilizojadiliwa mapema katika sura hii). Bidhaa zingine ni vigumu kukusanya bila kupoteza, na hivyo chini ya kupona kamili itapunguza mavuno halisi. Kiwango ambacho mavuno ya kinadharia ya mmenyuko yanapatikana kwa kawaida huelezwa kama mavuno yake ya asilimia:

asilimia mavuno = \frac{mavuno halisi}{mavuno ya nadharia} \times 100 %

Mazao halisi na ya kinadharia yanaweza kuonyeshwa kama raia au kiasi cha molar (au mali nyingine yoyote inayofaa; kwa mfano, kiasi, kama bidhaa ni gesi). Mradi mavuno yote ni walionyesha kwa kutumia vitengo sawa, vitengo hivi kufuta wakati asilimia mavuno ni mahesabu.

Mfano 4.13

Mahesabu ya Mazao ya Asilimia

Baada ya mmenyuko wa 1.274 g ya sulfate ya shaba na chuma cha ziada cha zinki, 0.392 g chuma cha shaba kilipatikana kulingana na equation:

{CuSO}_{4} (a q) + Zn (s) ⟶ Cu (s) + {ZnSO}_{4} (a q)

Mavuno ya asilimia ni nini?

Suluhisho

Taarifa iliyotolewa inatambua sulfate ya shaba kama reactant ya kikwazo, na hivyo mavuno ya kinadharia hupatikana kwa njia iliyoonyeshwa katika moduli ya awali, kama inavyoonekana hapa:

1.274 g {CuSO}_{4} \times \frac{1 mol {CuSO}_{4}}{159.62 g {CuSO}_{4}} \times \frac{1 mold Cu}{1 mol {CuSO}_{4}} \times \frac{63.55 g Cu}{1 mold Cu} = 0.5072 g Cu

Kutumia mavuno haya ya kinadharia na thamani iliyotolewa kwa mavuno halisi, mavuno ya asilimia yanahesabiwa kuwa

asilimia mavuno = (\frac{mavuno halisi}{mavuno ya nadharia}) \times 100

\begin{matrix} asilimia mavuno = (\frac{0.392 g Cu}{0.5072 g Cu}) \times 100 \\ = 77.3 % \end{matrix}

Angalia Kujifunza Yako

Je, ni asilimia mavuno ya mmenyuko inayozalisha 12.5 g ya gesi Freon CF ₂ Cl ₂ kutoka 32.9 g ya cCl ₄ na HF ya ziada?

{cCl}_{4} + 2 HF ⟶ {TAZ}_{2} {Cl}_{2} + 2 HCl

Jibu:

48.3%

Jinsi Sayansi Kuunganisha

Kemia ya Kijani na Uchumi

Mpangilio wa makusudi wa bidhaa za kemikali na michakato ambayo hupunguza matumizi ya vitu vya hatari ya mazingira na kizazi cha taka hujulikana kama kemia ya kijani. Kemia ya kijani ni mbinu ya falsafa ambayo inatumika kwa maeneo mengi ya sayansi na teknolojia, na mazoezi yake yanafupishwa kwa miongozo inayojulikana kama “Kanuni kumi na mbili za Kemia ya Kijani” (angalia maelezo katika tovuti hii). Moja ya kanuni 12 inalenga hasa kuongeza ufanisi wa michakato ya kuunganisha bidhaa za kemikali. Uchumi wa atomu wa mchakato ni kipimo cha ufanisi huu, hufafanuliwa kama asilimia kwa wingi wa bidhaa ya mwisho ya jamaa ya awali na raia wa majibu yote yaliyotumiwa:

uchumi wa atomu = \frac{wingi wa bidhaa}{molekuli ya reactants} \times 100 %

Ingawa ufafanuzi wa uchumi wa atomu kwa mtazamo wa kwanza unaonekana sawa na ule kwa mavuno ya asilimia, fahamu kwamba mali hii inawakilisha tofauti katika ufanisi wa kinadharia wa michakato mbalimbali ya kemikali. Mavuno ya asilimia ya mchakato wa kemikali iliyotolewa, kwa upande mwingine, hutathmini ufanisi wa mchakato kwa kulinganisha mavuno ya bidhaa kwa kweli yaliyopatikana kwa mavuno ya kiwango cha juu yaliyotabiriwa na stoichiometry.

Awali ya dawa za kawaida za maumivu yasiyo ya kawaida, ibuprofen, zinaonyesha vizuri mafanikio ya mbinu ya kemia ya kijani (Kielelezo 4.15). Kwanza kuuzwa mwanzoni mwa miaka ya 1960, ibuprofen ilitengenezwa kwa kutumia awali ya hatua sita ambayo ilihitaji 514 g ya reactants kuzalisha kila mole (206 g) ya ibuprofen, uchumi wa atomu wa 40%. Katika miaka ya 1990, mchakato mbadala ulianzishwa na Kampuni ya BHC (sasa BASF Corporation) ambayo inahitaji hatua tatu tu na ina uchumi wa atomi wa ~ 80%, karibu mara mbili ya mchakato wa awali. Mchakato wa BHC huzalisha taka ndogo ya kemikali; hutumia vifaa visivyo na madhara na vya kurekebishwa; na hutoa akiba kubwa ya gharama kwa mtengenezaji (na, hatimaye, walaji). Kwa kutambua athari nzuri ya mazingira ya mchakato wa BHC, kampuni hiyo ilipokea tuzo ya Greener Synthetic pathways ya Shirika la Ulinzi wa Mazingira mwaka 1997.

Takwimu hii imeandikwa, “a,” na, “b.” Sehemu ya a inaonyesha chupa iliyo wazi ya ibuprofen na rundo ndogo la vidonge vya ibuprofen kando yake. Sehemu ya b inaonyesha majibu pamoja na miundo ya mstari. Mfumo wa mstari wa kwanza unaonekana kama mstari wa diagonal unaoelekeza chini na kulia, kisha juu na kulia na kisha chini na kulia. Kwa hatua hii inaunganisha na hexagon na vifungo viwili vya kubadilisha. Katika shimo la kwanza kuna mstari unaoelezea moja kwa moja. Kutoka kwa muundo huu, kuna mshale unaoelekeza chini. Mshale umeandikwa, “H F,” upande wa kushoto na “(C H subscript 3 C O) subscript 2 O,” upande wa kulia. Mfumo wa mstari unaofuata unaonekana kama muundo wa mstari wa kwanza, lakini una mstari wa angled chini na kulia kutoka sehemu ya chini ya kulia ya hexagon. Mstari huu ni kushikamana na mstari mwingine ambayo pointi moja kwa moja chini. Ambapo mistari hii miwili inakutana, kuna dhamana mara mbili kwa atomi O. Kuna mshale mwingine akizungumzia kushuka, na ni kinachoitwa, “H Subscript 2, Raney N i.” Mfumo unaofuata unaonekana sawa na muundo wa pili, uliopita, isipokuwa badala ya O iliyofungwa mara mbili, kuna kikundi cha O H kilichounganishwa. Kuna mwisho mmenyuko mshale akizungumzia chini, na ni kinachoitwa, “C O, [P d].” Muundo wa mwisho unafanana na muundo wa tatu, uliopita isipokuwa badala ya kundi la O H, kuna mstari mwingine unaoelekeza chini na kulia kwa kundi la O H. Katika mistari hii miwili, kuna O.

Kielelezo 4.15 (a) Ibuprofen ni dawa maarufu ya maumivu yasiyo ya kawaida inayouzwa kama vidonge 200 mg. (b) Mchakato wa BHC wa kuunganisha ibuprofen unahitaji hatua tatu tu na huonyesha uchumi wa atomi wa kuvutia. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Derrick Coetzee)