Come Calcolare la Resa Teorica

Co-redatto da Lo Staff di wikiHow

In chimica "resa teorica" è l'espressione che viene usata per indicare la massima quantità di prodotto che può essere generata da una determinata reazione chimica. Il primo passo per calcolare la resa teorica di una reazione consiste nel partire da un'equazione chimica bilanciata per poterne calcolare il reagente limitante. Dopo aver misurato la quantità di reagenti chimici che verranno utilizzati nella reazione, si può calcolare anche la quantità di prodotto che verrà generato da tale reazione. Quest'ultimo dato rappresenta esattamente la resa teorica dell'equazione di partenza. Nella realtà, eseguendo un vero esperimento, la resa risulterà essere sempre inferiore a quella teorica, a causa dell'inefficienza stessa dell'esperimento reale.

Parte 1

Parte 1 di 2:

Individuare il Reagente Limitante

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Parti da un'equazione chimica bilanciata. Un’equazione chimica bilanciata è molto simile a una ricetta di cucina. Il membro sinistro dell'equazione mostra tutti i reagenti coinvolti nella reazione che, reagendo fra loro, daranno vita al prodotto finale mostrato nel membro destro. Un'equazione chimica bilanciata correttamente avrà lo stesso numero di atomi sia sotto forma di reagenti iniziali sia sotto forma di prodotto finale.^{[1]
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- Per esempio prendiamo in considerazione un'equazione molto semplice: $H_{2}+O_{2}$ → $H_{2}O$ . In questo caso abbiamo due atomi di idrogeno sia nel membro di sinistra sia in quello di destra. Tuttavia abbiamo due atomi di ossigeno come reagenti iniziali dell'equazione e un solo atomo come prodotto finale.
- Per bilanciare la reazione raddoppiamo il membro destro dell'equazione (quello relativo al prodotto finale) ottenendo quanto segue: $H_{2}+O_{2}$ → $2H_{2}O$ .
- Verifichiamo se il bilanciamento è corretto. La modifica che abbiamo eseguito sull'equazione di partenza ha bilanciato gli atomi di ossigeno che ora sono due in entrambi i membri. Tuttavia adesso abbiamo due atomi di idrogeno nel membro sinistro dell'equazione, ma ben quattro in quello destro.
- Raddoppiamo la quantità di idrogeno sotto forma di reagente. In questo modo la nuova equazione di partenza sarà la seguente: $2H_{2}+O_{2}$ → $2H_{2}O$ . A questo punto abbiamo quattro atomi di idrogeno e due di ossigeno in entrambi i membri dell'equazione, quindi possiamo affermare che è bilanciata correttamente.
- Prendiamo come esempio un'equazione più complessa dove l'ossigeno e il glucosio si combinano fra loro per dare vita a un prodotto composto da diossido di carbonio (anidride carbonica) e ossigeno: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$
  . Esaminando questa equazione possiamo constatare che ogni membro presenta 6 atomi di carbonio (C), 12 di idrogeno (H) e 18 di ossigeno (O), quindi possiamo affermare che è bilanciata correttamente.
- Leggi questa guida se hai la necessità di ripassare o approfondire il processo tramite il quale si bilanciano le equazioni chimiche.
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Calcola la massa molare di ogni reagente. Per risalire a questa informazione fai riferimento alla tabella periodica degli elementi chimici o a un'altra fonte di tua conoscenza, per prendere nota della massa molare di un singolo atomo di ogni reagente coinvolto nella reazione. A questo punto somma fra loro i valori individuati per ottenere la massa molare di ogni composto di reagente. Esegui il passaggio per ogni molecola di composto. Prendiamo nuovamente come esempio l'equazione che converte l'ossigeno e il glucosio in anidride carbonica e ossigeno: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ $6O_{2}+C_{6}H_{{12}}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ $6CO_{2}+6H_{2}O$ ^{[2]
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- In questo caso, una molecola di ossigeno ( $O_{2}$ ) contiene due atomi di ossigeno.
- La massa molare di un atomo di ossigeno è di circa 16 g/mol. Se necessiti una precisione maggiore, puoi fare riferimento a valori più precisi.
- Quindi 2 atomi di ossigeno x 16 g/mol = 32 g/mol di $O_{2}$ .
- L'altro reagente coinvolto nella reazione è il glucosio ( $C_{6}H_{12}O_{6}$ ), che ha una massa molare di (6 atomi di C x 12 g C/mol) + (12 atomi di H x 1 g H/mol) + (6 atomi di O x 16 g O/mol) = 180 g/mol.
- Se hai la necessità di approfondire il procedimento con cui si calcola la massa molare di un composto chimico, puoi leggere questa guida.
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Converti la quantità di ogni reagente da grammi a moli. Nel caso di un esperimento reale, occorre conoscere la massa espressa in grammi di ogni reagente coinvolto nella reazione. A questo punto dividi i valori per la massa molare dell'elemento chimico corrispondente (o del composto) per ottenere la quantità espressa in moli.^{[3]
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- Per esempio, supponi di avere in principio 40 g di ossigeno e 25 g di glucosio.
- 40 g $O_{2}$ / (32 g/mol) = 1,25 mol di ossigeno.
- 25 g $C_{6}H_{12}O_{6}$ / (180 g/mol) = 0,139 mol di glucosio.
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Calcola la proporzione esistente fra i reagenti. In chimica la mole è lo strumento che viene utilizzato per conteggiare le molecole in relazione alla loro massa. Determinando il numero di moli di ossigeno e glucosio è possibile sapere quante molecole di ogni composto verranno utilizzate inizialmente nella reazione chimica. Per calcolare il rapporto esistente fra i due reagenti occorre dividere il numero di moli del primo per il numero di moli del secondo.^{[4]
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- Nel nostro esempio la reazione inizia con 1,25 mol di ossigeno e 0,139 mol di glucosio, quindi si deduce che il rapporto esistente fra le molecole di ossigeno e di glucosio è pari a 1,25 / 0,139 = 9. Questa proporzione indica che c'è una quantità di molecole di ossigeno pari a 9 volte quella delle molecole di glucosio.
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Calcola la proporzione ideale che dovrebbe avere la reazione. Osserva l'equazione bilanciata di partenza. Il coefficiente numerico di ciascuna molecola indica la quantità di molecole che occorre utilizzare perché la reazione avvenga correttamente. Se userai esattamente la proporzione indicata dalla formula di partenza, entrambi i reagenti iniziali verranno consumati in egual misura.^{[5]
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- Esaminando la reazione di esempio i reagenti sono i seguenti: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ . I coefficienti dell'equazione indicano che occorrerà utilizzare 6 molecole di ossigeno per ogni molecola di glucosio. In questo caso la proporzione ideale dei reagenti è data dalla seguente operazione: 6 molecole di ossigeno / 1 molecola di glucosio = 6.
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Confronta i due rapporti calcolati per individuare il reagente limitante. Nella maggior parte delle reazioni chimiche uno dei reagenti coinvolti verrà utilizzato interamente e si esaurirà prima che possano esaurirsi anche gli altri. Per questo motivo il primo reagente che si esaurisce completamente viene definito "reagente limitante". Quest'ultimo determina sia la durata totale della reazione chimica sia la resa teorica attesa. Confronta i due rapporti appena calcolati per individuare il reagente limitante:^{[6]
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- Nel nostro esempio, dopo aver calcolato la massa molare del composto iniziale è stata ottenuta una proporzione fra molecole di ossigeno e glucosio di 9:1. La formula della reazione chimica indica che la proporzione ideale dei reagenti dovrebbe essere invece di 6:1 (6 molecole di ossigeno per ogni molecola di glucosio), quindi, avendo più ossigeno di quello richiesto per innescare la reazione, è possibile affermare senza ombra di dubbio che il reagente limitante è il glucosio.
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Parte 2

Parte 2 di 2:

Calcolare la Resa Teorica

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Esamina l'equazione della reazione per individuare il prodotto che verrà generato. Il membro sinistro dell'equazione mette in evidenza il prodotto finale che verrà generato dalla reazione chimica che descrive. Se la reazione è bilanciata, i coefficienti di ogni composto che verrà generato indicano la quantità attesa espressa in molecole. Ogni prodotto della reazione ha una propria resa teorica, il che indica la quantità di ogni composto che verrebbe generata se l'efficienza della reazione fosse perfetta.^{[7]
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- Continuando con la reazione di esempio, prendi in esame la seguente equazione: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ . I due composti che vengono generati dalla reazione ed elencati nel membro destro dell'equazione sono anidride carbonica e acqua.
- Per calcolare la resa teorica della reazione di esempio è possibile partire indifferentemente analizzando uno dei due composti prodotti. In alcuni casi potrebbe essere presente un composto che ti interessa più di un altro; se così fosse, è bene iniziare da quello.
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Prendi nota della quantità di reagente limitante espressa in moli. Per calcolare la resa teorica occorre sempre comparare le moli di reagente e le moli di prodotto finale. Nel caso in cui si provasse a confrontare le masse di questi due elementi il risultato ottenuto non sarebbe corretto.^{[8]
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- Nell'esperimento di esempio il reagente limitante della reazione chimica è il glucosio. La massa molare iniziale che hai calcolato è pari a 25 g di glucosio, che equivalgono a 0,139 moli.
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Confronta le molecole di prodotto finale con quelle di reagente. Ritorna a esaminare l'equazione bilanciata di partenza; dividi il numero di molecole del prodotto in esame per il numero iniziale di molecole di reagente limitante.
- Nell'esempio hai preso in esame la seguente equazione: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ . Quest'ultima mostra che la reazione darà origine a 6 molecole di anidride carbonica ( $CO_{2}$ ) a fronte di una sola molecola di glucosio ( $C_{6}H_{12}O_{6}$ ).
- Il rapporto esistente fra l'anidride carbonica e il glucosio sarà quindi di 6/1, cioè 6. In altre parole questa reazione è in grado di produrre 6 molecole di anidride carbonica utilizzando una molecola di glucosio.
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Moltiplica il risultato appena calcolato per la quantità di reagente limitante espressa in moli. Il numero che otterrai rappresenta la resa teorica della reazione, espressa in moli, relativamente al prodotto esaminato.
- Nell'esempio hai 25 g di glucosio pari a 0,139 moli. La proporzione esistente fra anidride carbonica (il prodotto della reazione che è stato preso in esame) e il glucosio (il reagente limitante) è di 6:1. Quindi da questa reazione ci si aspetta di produrre una quantità di anidride carbonica sei volte superiore a quella iniziale di glucosio.
- La resa teorica di anidride carbonica è pari a (0,139 moli di glucosio) x (6 moli di anidride carbonica / una mole di glucosio) = 0,834 molti di anidride carbonica.
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Converti il risultato ottenuto in grammi. Si tratta del calcolo inverso che hai eseguito nel passaggio precedente, in cui hai ricavato la quantità di reagente limitante espressa in moli. Quando il numero di moli che ci si aspetta dalla reazione è noto, basta semplicemente moltiplicarlo per la massa molare del prodotto esaminato per ottenere la relativa resa teorica in grammi.^{[9]
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- In questo esempio la massa molare dell'anidride carbonica, CO₂, è pari a circa 44 g/mol (dato che la massa molare del carbonio è di circa 12 g/mol e quella dell'ossigeno è di circa 16 g/mol, la massa totale sarà pari a 12 + 16 + 16 = 44).
- Moltiplicando 0,834 moli di CO₂ per 44 g/mol di CO₂ si ottiene circa 36,7 grammi. La resa teorica di anidride carbonica, CO₂, dell'esperimento in esame è di circa 36,7 g.
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Se lo desideri, puoi anche ripetere i passaggi descritti per calcolare la resa teorica dell'altro prodotto generato dalla reazione. In molto esperimenti ti verrà chiesto o avrai la necessità di concentrarti esclusivamente sulla resa di un solo prodotto. In questo esempio, se hai la necessità di calcolare anche la resa teorica del secondo prodotto, ripeti semplicemente i passaggi descritti in questa sezione dell'articolo.
- Nell'esempio il secondo prodotto della reazione è semplice acqua, $H_{2}O$ . Esaminando l'equazione bilanciata di partenza dovresti ottenere 6 molecole consumando 6 molecole di glucosio. In questo caso la proporzione dei due elementi è di 1:1, quindi è possibile affermare che 0,139 moli di glucosio dovrebbero generare 0,139 moli di acqua.
- Adesso moltiplica il numero di moli di acqua per la massa molare di quest'ultima. La massa molare dell'acqua è pari a 2 + 16 = 18 g/mol. Eseguendo i calcoli otterremo che 0,139 moli di H₂O per 18 g/mol di H₂O sono pari a circa 2,50 g. A questo punto puoi affermare che la resa teorica di acqua dell'esperimento in esame è pari a circa 2,5 g.
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