مقدار نظری: مقدار فراورده مورد انتظار از محاسبات استوکیومتری

مقدار نظری: پیش‌بینی محصول در واکنش‌های شیمیایی

مقدار نظری چیست و چرا مهم است؟

وقتی یک آشپز می‌خواهد کیک بپزد، با نگاه کردن به دستور پخت می‌داند که با مثلاً 200 گرم آرد، چند عدد کیک می‌تواند تهیه کند. در شیمی نیز مقدار نظری دقیقاً همین نقش را دارد. این مقدار، حداکثر میزان محصولی است که بر اساس محاسبات و بر مبنای معادله‌ی موازنه‌شده‌ی شیمیایی می‌توان از واکنش‌دهنده‌های موجود به دست آورد. به بیان ساده، این مقدار، "انتظار تئوریک" ما از آزمایش است.

اهمیت این مفهوم در این است که به ما کمک می‌کند بازده^۵ یک واکنش را ارزیابی کنیم. اگر مقدار محصولی که در عمل به دست می‌آوریم (مقدار واقعی^۶) کمتر از مقدار نظری باشد، نشان‌دهنده‌ی اتلاف مواد، واکنش‌های ناخواسته یا خطاهای آزمایشگاهی است.

گام‌های محاسبه مقدار نظری

برای محاسبه‌ی مقدار نظری، باید مراحل مشخصی را به ترتیب طی کنید. این مراحل شبیه به حل یک مسئله‌ی پازل هستند.

یک مثال ساده از آشپزخانه تا آزمایشگاه

فرض کنید واکنش احتراق متان را بررسی می‌کنیم: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$. اگر 16 گرم متان ($CH_4$) داشته باشیم، چند گرم آب ($H_2O$) تولید می‌شود؟

گام ۱: معادله موازنه است.

گام ۲: جرم متان را به مول تبدیل می‌کنیم. جرم مولی متان $16$ گرم بر مول است ($12 + (4 \times 1) = 16$). بنابراین: $\frac{16 \text{ g}}{16 \text{ g/mol}} = 1$ مول متان.

گام ۳: از معادله می‌بینیم که از 1 مول متان، 2 مول آب تولید می‌شود. (نسبت $1:2$)

گام ۴: بنابراین تعداد مول آب تولیدی $1 \times 2 = 2$ مول است.

گام ۵: جرم مولی آب $18$ گرم بر مول است ($(2 \times 1) + 16 = 18$). پس جرم آب تولیدی: $2 \text{ mol} \times 18 \text{ g/mol} = 36$ گرم.

پاسخ: مقدار نظری آب تولید شده 36 گرم است.

عوامل محدودکننده و تأثیر آن بر مقدار نظری

در یک واکنش، معمولاً یکی از واکنش‌دهنده‌ها زودتر تمام می‌شود و ادامه‌ی واکنش را متوقف می‌کند. به این ماده، واکنش‌دهنده‌ی محدودکننده^۷ می‌گویند. مقدار نظری محصول، همیشه بر اساس این واکنش‌دهنده محاسبه می‌شود. واکنش‌دهنده‌ی دیگر که اضافه می‌آید، "واکنش‌دهنده‌ی اضافی"^۸ نام دارد.

مثال: برای درست کردن ساندویچ پنیر، به 2 نان و 1 برش پنیر نیاز داریم. اگر 10 نان و 4 برش پنیر داشته باشیم، پنیر واکنش‌دهنده‌ی محدودکننده است چون فقط 4 ساندویچ می‌توان ساخت و نان اضافی می‌ماند. مقدار نظری ساندویچ (4 عدد) بر اساس پنیر محاسبه شد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ مقدار نظری (Theoretical Yield)

^۲ استوکیومتری (Stoichiometry)

^۳ واکنش‌دهنده‌ها (Reactants)

^۴ فرآورده‌ها (Products)

^۵ بازده (Yield)

^۶ مقدار واقعی (Actual Yield)

^۷ واکنش‌دهنده‌ی محدودکننده (Limiting Reactant / Reagent)

^۸ واکنش‌دهنده‌ی اضافی (Excess Reactant)

^۹ تصعید (Sublimation)

^۱۰ درصد بازده (Percent Yield)