Performance théorique: en quoi elle consiste et exemples

Le rendement théorique d'une réaction chimique est la quantité maximale que l'on peut obtenir d'un produit en supposant la transformation complète des réactifs. Lorsque, pour des raisons cinétiques, thermodynamiques ou expérimentales, l’un des réactifs réagit partiellement, le rendement obtenu est inférieur à la théorie.

Ce concept permet de comparer l’écart entre les réactions chimiques écrites sur papier (équations chimiques) et la réalité. Certaines peuvent sembler très simples, mais expérimentalement complexes et avec de faibles rendements; tandis que d'autres peuvent être étendus mais simples et performants à réaliser.

Toutes les réactions chimiques et les quantités de réactifs ont un rendement théorique. Grâce à cela, il est possible d’établir un degré d’efficacité des variables de processus et des succès; plus le rendement est élevé (et plus le temps est court), meilleures sont les conditions choisies pour la réaction.

Ainsi, pour une réaction donnée, vous pouvez choisir une plage de températures, la vitesse d'agitation, le temps, etc., et réaliser une performance optimale. Le but de ces efforts est d’approcher la performance théorique de la performance réelle.

Quelle est la performance théorique?

Le rendement théorique est la quantité de produit obtenue à partir d'une réaction supposant une conversion de 100%; c'est-à-dire que tout le réactif limitant doit être consommé.

Ensuite, toute synthèse devrait idéalement donner une performance expérimentale ou réelle égale à 100%. Bien que cela ne se produise pas, il y a des réactions avec des rendements élevés (> 90%)

Elle est exprimée en pourcentage et pour la calculer en premier, vous devez recourir à l'équation chimique de la réaction. A partir de la stoechiométrie, il est déterminé pour une certaine quantité de réactif limitant la quantité de produit à l'origine. Ensuite, lorsque cela est fait, la quantité de produit obtenue (rendement réel) est comparée à celle de la valeur théorique déterminée:

Performance% = (performance réelle / performance théorique) ∙ 100%

Ce pourcentage de rendement nous permet d’estimer l’efficacité de la réaction dans les conditions choisies. Leurs valeurs oscillent considérablement en fonction du type de réaction. Par exemple, pour certaines réactions, un rendement de 50% (la moitié du rendement théorique) peut être considéré comme une réaction réussie.

Mais quelles sont les unités d'une telle performance? La masse des réactifs, c'est-à-dire la quantité de grammes ou de moles. Par conséquent, pour déterminer les performances d'une réaction, il convient de connaître les grammes ou les moles pouvant théoriquement être obtenus.

Ce qui précède peut être clarifié avec un exemple simple.

Des exemples

Exemple 1

Considérons la réaction chimique suivante:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

L'équation chimique n'a que des coefficients stoechiométriques 1 pour les espèces A, B et C. S'agissant d'espèces hypothétiques, leurs masses moléculaires ou atomiques sont inconnues, mais la proportion de masse dans laquelle elles réagissent est proche; c'est-à-dire que pour chaque gramme de A, 3 g de B réagissent pour donner 4 g de C (conservation de la masse).

Par conséquent, le rendement théorique pour cette réaction est de 4 g de C lorsque 1 g de A réagit avec 3 g de B.

Quel serait le rendement théorique si vous avez 9 g de A? Pour le calculer, il suffit d'utiliser le facteur de conversion reliant A et C:

(9gA) (4gC / 1gA) = 36gC

Notez que maintenant le rendement théorique est de 36 g C au lieu de 4 g C, car il y a plus de réactif A.

Deux méthodes: deux rendements

Pour la réaction ci-dessus, il existe deux méthodes de production de C. En supposant que les deux commencent par 9 g de A, chacune a sa propre performance réelle. La méthode classique permet d’obtenir 23 g de C en 1 heure; En utilisant la méthode moderne, on peut obtenir 29 g de C en une demi-heure.

Quel est le% de rendement pour chacune des méthodes? Sachant que le rendement théorique est de 36 g de C, on applique la formule générale suivante:

% De performance (méthode classique) = (23g C / 36g C) ∙ 100%

63, 8%

Performance% (méthode moderne) = (29g C / 36g C) 100%

80, 5%

Logiquement, la méthode moderne permettant de générer plus de grammes de C à partir de 9 grammes de A (plus 27 grammes de B) a un rendement de 80, 5%, supérieur au rendement de 63, 8% de la méthode classique.

Laquelle des deux méthodes à choisir? À première vue, la méthode moderne semble plus viable que la méthode classique; Cependant, l'aspect économique et les éventuels impacts environnementaux de chacun entrent en ligne de compte dans la décision.

Exemple 2

Considérez la réaction exothermique et prometteuse comme source d’énergie:

H 2 + O 2 => H 2 O

Notez que, comme dans l'exemple précédent, les coefficients stoechiométriques de H 2 et O 2 sont égaux à 1. Si vous mélangez 70 g de H 2 avec 150 g de O 2, quel sera le rendement théorique de la réaction? Quel est le rendement si on obtient 10 et 90g d'H 2 O?

Ici, on ne sait pas combien de grammes de H2 ou de O2 réagissent; par conséquent, les moles de chaque espèce doivent être déterminées cette fois-ci:

Moles de H 2 = (70g) (mol H 2 / 2g)

35 taupes

Moles de O 2 = (150g) (mol O 2 / 32g)

4, 69 moles

Le réactif limitant est l'oxygène, car 1 mol d'H 2 réagit avec 1 mol d'O 2 ; et ayant 4, 69 moles de 02, alors 4, 69 moles de H2 vont réagir. De même, les moles de H 2 O formées seront égales à 4, 69. Par conséquent, le rendement théorique est de 4, 69 moles ou 84, 42 g d'H 2 O (en multipliant les moles par la masse moléculaire de l'eau).

Manque d'oxygène et excès d'impuretés

Si 10g de H 2 O sont produits, le rendement sera de:

% De performance = (10 g H 2 O / 84, 42 g H 2 O) 100%

11, 84%

Ce qui est faible car un énorme volume d'hydrogène a été mélangé avec très peu d'oxygène.

Et si, par contre, 90 g d'H 2 O sont produits, la performance sera désormais:

% De performance = (90 g H 2 O / 84, 42 g H 2 O) 100%

106, 60%

Aucune performance ne pouvant être supérieure à la valeur théorique, toute valeur supérieure à 100% est une anomalie. Cependant, cela peut être dû aux causes suivantes:

-Le produit a accumulé d'autres produits en raison de réactions latérales ou secondaires.

-Le produit a été contaminé pendant ou à la fin de la réaction.

Dans le cas de la réaction de cet exemple, la première cause est peu probable, car il n'y a pas d'autre produit que de l'eau. La deuxième cause, dans le cas où 90 g d’eau seraient effectivement obtenus dans de telles conditions, indique qu’il y avait une entrée d’autres composés gazeux (tels que le CO 2 et le N 2 ) qui avaient été pesés à tort avec l’eau.