O desempenho teórico de uma reação química é a quantidade máxima que pode ser obtida de um produto assumindo a transformação completa dos reagentes. Quando, por razões cinéticas, termodinâmicas ou experimentais, um dos reagentes reage parcialmente, o rendimento resultante é inferior ao teórico..
Este conceito permite comparar a lacuna entre as reações químicas escritas no papel (equações químicas) e a realidade. Alguns podem parecer muito simples, mas experimentalmente complexos e de baixo rendimento; enquanto outros podem ser extensos, mas simples e de alto desempenho quando realizados.
Todas as reações químicas e quantidades de reagentes têm um rendimento teórico. Graças a isso, um grau de eficácia das variáveis do processo e dos acertos pode ser estabelecido; quanto maior o rendimento (e quanto menor o tempo), melhores serão as condições escolhidas para a reação.
Assim, para uma dada reação, uma faixa de temperatura, velocidade de agitação, tempo, etc. podem ser escolhidos e um desempenho ideal pode ser realizado. O objetivo de tais esforços é aproximar o rendimento teórico do rendimento real..
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O rendimento teórico é a quantidade de produto obtido a partir de uma reação assumindo uma conversão de 100%; ou seja, todo o reagente limitante deve ser consumido.
Portanto, todas as sínteses devem, idealmente, dar um rendimento experimental ou real igual a 100%. Embora isso não aconteça, existem reações com altos rendimentos (> 90%)
Ele é expresso em porcentagens e, para calculá-lo, você deve primeiro recorrer à equação química da reação. A partir da estequiometria, é determinado para uma certa quantidade de reagente limitante quanto produto se origina. Em seguida, a quantidade de produto obtida (rendimento real) é comparada com aquela do valor teórico apurado:
% De rendimento = (rendimento real / rendimento teórico) ∙ 100%
Esta porcentagem de rendimento permite estimar o quão eficiente a reação foi nas condições selecionadas. Seus valores variam drasticamente dependendo do tipo de reação. Por exemplo, para algumas reações, um rendimento de 50% (metade do rendimento teórico) pode ser considerado uma reação bem-sucedida..
Mas quais são as unidades desse desempenho? A massa dos reagentes, ou seja, seu número em gramas ou moles. Portanto, para determinar o rendimento de uma reação, os gramas ou moles que podem ser teoricamente obtidos devem ser conhecidos..
O acima pode ser esclarecido com um exemplo simples.
Considere a seguinte reação química:
A + B => C
1gA + 3gB => 4gC
A equação química tem apenas 1 coeficiente estequiométrico para as espécies A, B e C. Como são espécies hipotéticas, suas massas moleculares ou atômicas são desconhecidas, mas a proporção de massa em que reagem está disponível; ou seja, para cada grama de A, 3 g de B reagem para dar 4 g de C (conservação de massa).
Portanto, o rendimento teórico para esta reação é de 4 g de C quando 1g de A reage com 3g de B.
Qual seria o rendimento teórico se tivéssemos 9g de A? Para calculá-lo, basta usar o fator de conversão que relaciona A e C:
(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C
Observe que agora o rendimento teórico é de 36 g C em vez de 4g C, uma vez que há mais reagente A.
Para a reação acima, existem dois métodos para produzir C. Supondo que ambos comecem com 9 g de A, cada um tem seu próprio rendimento real. O método clássico permite obter 23 g de C no período de 1 hora; enquanto por meio do método moderno, 29 g de C podem ser obtidos em meia hora.
Qual é a porcentagem de rendimento de cada um dos métodos? Sabendo que o rendimento teórico é de 36 g de C, a fórmula geral é aplicada:
% de rendimento (método clássico) = (23g C / 36g C) ∙ 100%
63,8%
% de rendimento (método moderno) = (29g C / 36g C) ∙ 100%
80,5%
Logicamente, o método moderno ao originar mais gramas de C dos 9 gramas de A (mais os 27 gramas de B) tem um rendimento de 80,5%, superior ao rendimento de 63,8% do método clássico..
Qual dos dois métodos escolher? À primeira vista, o método moderno parece mais viável do que o método clássico; Porém, o aspecto econômico e os possíveis impactos ambientais de cada um entram em jogo na decisão..
Considere a reação exotérmica e promissora como uma fonte de energia:
Hdois + OUdois => HdoisOU
Observe que, como no exemplo anterior, os coeficientes estequiométricos de Hdois Eudois somos 1. Temos 70g de Hdois misturado com 150g de Odois, Qual será o rendimento teórico da reação? Qual é o rendimento se 10 e 90g de HdoisOU?
Aqui não é certo quantos gramas de Hdois ou oudois eles reagem; portanto, os moles de cada espécie devem ser determinados desta vez:
Moles de Hdois= (70g) ∙ (mol Hdois/ 2 g)
35 moles
Moles de Odois= (150g) ∙ (mol Odois/ 32g)
4,69 moles
O reagente limitante é o oxigênio, pois 1mol de Hdois reage com 1mol Odois; e tendo 4,69 moles de Odois, então 4,69 moles de H reagirãodois. Da mesma forma, os moles de HdoisOu formado será igual a 4,69. Portanto, o rendimento teórico é de 4,69 moles ou 84,42g de HdoisO (multiplicando os moles pela massa molecular da água).
Se 10g de HdoisOu o desempenho será:
% de rendimento = (10g HdoisO / 84,42g HdoisO) ∙ 100%
11,84%
O que é baixo porque um grande volume de hidrogênio misturado com muito pouco oxigênio.
E se, por outro lado, 90g H forem produzidosdoisOu, o desempenho agora será:
% de rendimento = (90g HdoisO / 84,42g HdoisO) ∙ 100%
106,60%
Nenhum desempenho pode ser maior do que o teórico, portanto, qualquer coisa acima de 100% é uma anomalia. No entanto, pode ser devido às seguintes causas:
-O produto acumulou outros produtos causados por reações colaterais ou secundárias.
-O produto ficou contaminado durante ou no final da reação.
Para o caso da reação neste exemplo, a primeira causa é improvável, uma vez que não há outro produto além da água. A segunda causa, se 90g de água foram realmente obtidos nessas condições, indica que houve uma entrada de outros compostos gasosos (como o COdois e ndois) que foram pesadas erroneamente junto com a água.
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