HIỆU SUẤT LÝ THUYẾT: NÓ BAO GỒM NHỮNG GÌ VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Hiệu suất lý thuyết của một phản ứng hóa học là số lượng lớn nhất có thể thu được từ một sản phẩm giả sử các chất phản ứng chuyển hóa hoàn toàn. Khi vì lý do động học, nhiệt động học hoặc thực nghiệm, một trong các chất phản ứng phản ứng một phần, hiệu suất thu được nhỏ hơn lý thuyết.

Khái niệm này cho phép bạn so sánh khoảng cách giữa phản ứng hóa học được viết trên giấy (phương trình hóa học) và thực tế. Một số có thể trông rất đơn giản, nhưng phức tạp về mặt thực nghiệm và năng suất thấp; trong khi những người khác có thể mở rộng nhưng đơn giản và hiệu suất cao khi thực hiện.

Nguồn: Pxhere

Tất cả các phản ứng hóa học và lượng thuốc thử đều có hiệu suất lý thuyết. Nhờ đó, mức độ hiệu quả của các biến quy trình và các lần truy cập có thể được thiết lập; năng suất càng cao (và thời gian càng ngắn) thì các điều kiện được chọn cho phản ứng càng tốt.

Do đó, đối với một phản ứng nhất định, có thể chọn khoảng nhiệt độ, tốc độ khuấy, thời gian, v.v. và có thể thực hiện hiệu suất tối ưu. Mục đích của những nỗ lực này là để tính gần đúng năng suất lý thuyết với năng suất thực tế.

Sản lượng lý thuyết là gì?

Hiệu suất lý thuyết là lượng sản phẩm thu được từ một phản ứng giả sử độ chuyển hóa là 100%; nghĩa là, tất cả các thuốc thử giới hạn phải được tiêu thụ.

Vì vậy, lý tưởng nhất là mọi tổng hợp phải cho năng suất thực nghiệm hoặc thực bằng 100%. Mặc dù điều này không xảy ra nhưng có những phản ứng với năng suất cao (> 90%)

Nó được biểu thị bằng phần trăm, và để tính toán nó trước tiên bạn phải dùng đến phương trình hóa học của phản ứng. Từ phép đo phân tích, nó được xác định đối với một lượng nhất định của thuốc thử giới hạn bao nhiêu sản phẩm có nguồn gốc. Sau đó, lượng sản phẩm thu được (sản lượng thực tế) được so sánh với giá trị lý thuyết được xác định:

% Lợi nhuận = (Lợi suất thực tế / Lợi suất lý thuyết) ∙ 100%

Hiệu suất% này cho phép ước tính mức độ hiệu quả của phản ứng trong các điều kiện đã chọn. Giá trị của chúng thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loại phản ứng. Ví dụ, đối với một số phản ứng, hiệu suất 50% (một nửa hiệu suất lý thuyết) có thể được coi là phản ứng thành công.

Nhưng đơn vị của hiệu suất như vậy là gì? Khối lượng của các chất phản ứng, tức là số gam hoặc số mol của chúng. Do đó, để xác định hiệu suất của một phản ứng, theo lý thuyết phải biết số gam hoặc số mol có thể thu được.

Điều trên có thể được làm rõ với một ví dụ đơn giản.

Ví dụ

ví dụ 1

Xét phản ứng hóa học sau:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

Phương trình hóa học chỉ có 1 hệ số cân bằng cho các loài A, B và C. Vì chúng là các loài giả định, khối lượng phân tử hoặc nguyên tử của chúng chưa được biết, nhưng có sẵn tỷ lệ khối lượng mà chúng phản ứng; tức là cứ một gam A thì 3 gam B phản ứng cho ra 4 gam C (bảo toàn khối lượng).

Do đó, hiệu suất lý thuyết cho phản ứng này là 4 g C khi 1 g A phản ứng với 3 g B.

Sản lượng lý thuyết sẽ là bao nhiêu nếu chúng ta có 9g A? Để tính toán nó, chỉ cần sử dụng hệ số chuyển đổi có liên quan A và C:

(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C

Lưu ý rằng bây giờ sản lượng lý thuyết là 36 g C thay vì 4 g C, vì có nhiều thuốc thử A.

Hai phương pháp: hai trả về

Đối với phản ứng trên, có hai phương pháp để tạo ra C. Giả sử cả hai đều bắt đầu với 9g A, mỗi phương pháp có sản lượng thực tế riêng. Phương pháp cổ điển có thể thu được 23 g C trong thời gian 1 giờ; trong khi sử dụng phương pháp hiện đại có thể thu được 29 g C trong nửa giờ.

Hiệu suất% cho mỗi phương pháp là gì? Biết rằng sản lượng lý thuyết là 36 g C, áp dụng công thức tổng quát:

% năng suất (phương pháp cổ điển) = (23g C / 36g C) ∙ 100%

63,8%

% năng suất (phương pháp hiện đại) = (29g C / 36g C) ∙ 100%

80,5%

Theo logic, phương pháp hiện đại bằng cách cho thêm 9 gam C từ 9 gam A (cộng với 27 gam B) có hiệu suất 80,5%, cao hơn hiệu suất 63,8% của phương pháp cổ điển.

Chọn phương pháp nào trong hai phương pháp? Thoạt nhìn, phương pháp hiện đại có vẻ khả thi hơn phương pháp cổ điển; Tuy nhiên, khía cạnh kinh tế và các tác động môi trường có thể có của mỗi khía cạnh có vai trò quyết định.

Ví dụ 2

Hãy coi phản ứng tỏa nhiệt và có triển vọng như một nguồn năng lượng:

H ₂ + O ₂ => H ₂ O

Lưu ý rằng như trong ví dụ trước, hệ số cân bằng của H ₂ và O ₂ là 1. Nếu bạn cho 70g H ₂ trộn với 150g O ₂ , hiệu suất lý thuyết của phản ứng sẽ là bao nhiêu? Nếu thu được 10 và 90g H ₂ O thì hiệu suất là bao nhiêu?

Ở đây không biết có bao nhiêu gam H ₂ hoặc O ₂ phản ứng; do đó, lần này số mol của mỗi loài phải được xác định:

Mol H ₂ = (70g) ∙ (mol H ₂ / 2g)

35 nốt ruồi

Mol O ₂ = (150g) ∙ (mol O ₂ / 32g)

4,69 mol

Thuốc thử hạn chế là oxi, vì 1mol H ₂ phản ứng với 1mol O ₂ ; và vì có 4,69 mol O ₂ nên 4,69 mol H _{2 sẽ} phản ứng . Tương tự, số mol H ₂ O tạo thành sẽ bằng 4,69. Do đó, hiệu suất lý thuyết là 4,69 mol hoặc 84,42g H ₂ O (nhân số mol với khối lượng phân tử nước).

Thiếu oxy và dư thừa tạp chất

Nếu tạo ra 10g H ₂ O thì hiệu suất thu được là:

% hiệu suất = (10g H ₂ O / 84,42g H ₂ O) ∙ 100%

11,84%

Điều này thấp bởi vì một khối lượng lớn hydro đã được trộn với rất ít oxy.

Và nếu ngược lại, 90g H ₂ O được tạo ra thì hiệu suất bây giờ sẽ là:

% hiệu suất = (90g H ₂ O / 84.42g H ₂ O) ∙ 100%

106,60%

Không có hiệu suất nào có thể cao hơn lý thuyết, vì vậy bất kỳ điều gì trên 100% đều là bất thường. Tuy nhiên, có thể do những nguyên nhân sau:

-Sản phẩm tích lũy các sản phẩm khác do phản ứng phụ hoặc phụ.

-Sản phẩm bị nhiễm bẩn trong hoặc khi kết thúc phản ứng.

Đối với trường hợp của phản ứng trong ví dụ này, nguyên nhân đầu tiên khó xảy ra, vì không có sản phẩm nào khác ngoài nước. Nguyên nhân thứ hai, nếu 90g nước thực sự thu được trong điều kiện như vậy, chỉ ra rằng có sự xâm nhập của các hợp chất khí khác (như CO ₂ và N ₂ ) đã được cân nhầm lẫn với nước.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập, tr 97.
2. Helmenstine, Todd. (2018, ngày 15 tháng 2). Cách tính năng suất lý thuyết của một phản ứng hóa học. Phục hồi từ: thinkco.com
3. Chieh C. (ngày 13 tháng 6 năm 2017). Lợi tức lý thuyết và thực tế. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
4. Học viện Khan. (2018). Giới hạn thuốc thử và hiệu suất phần trăm. Phục hồi từ: khanacademy.org
5. Nhập môn Hóa học. (sf). Hoa lợi. Đã khôi phục từ: saylordotorg.github.io
6. Giới thiệu khóa học về hóa học đại cương. (sf). Giới hạn thuốc thử và hiệu suất. Đại học Valladolid. Được khôi phục từ: eis.uva.es