فيديو الدرس: حساب المردود المئوي للتفاعل الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحسب مردود التفاعل بالنسبة المئوية. لكي نتمكن من فعل ذلك، سنتعلم أولًا كيف نحدد أي المواد المتفاعلة هي المادة المتفاعلة المحددة، وكيف نحسب المردود النظري. وأخيرًا، سندرس عوامل التفاعل المؤثرة على المردود المئوي.

لنلق نظرة على المردود المئوي في سياق عام قبل أن نناقشه بالتفصيل. معظم الأشياء التي نستخدمها في الحياة اليومية هي نتائج لعملية تصنيع تتضمن تفاعلات كيميائية. فالدهانات، والمواد البلاستيكية، والمعادن الموجودة حولنا، والأسمدة التي يستخدمها المزارعون، والإضافات الغذائية، والأدوية التي نستهلكها كلها تم إنتاجها أو تصنيعها أولًا في مصانع كبيرة باستخدام تفاعلات كيميائية.

الصناعة الكيميائية صناعة ضخمة. ويجرى الكثير من الأبحاث لتصنيع هذه المواد الكيميائية بسرعة وبتكلفة مجدية. وقياس ناتج هذه التفاعلات أو مردودها بالنسبة المئوية لمردود التفاعل المثالي عامل مهم في ذلك. لكن على أرض الواقع، تختلف غالبًا كمية المادة الناتجة عن تفاعل كيميائي عن الكمية القصوى التي يمكن تكوينها في ظل ظروف معينة، أو الكمية المثالية التي يمكن تكوينها في ظل مجموعة ظروف معينة.

لنلق نظرة على المعادلة التي يستخدمها العلماء في وصف الناتج الفعلي لتفاعل كيميائي في مقابل أقصى ناتج ممكن أو الناتج المثالي. وبعد ذلك سنكتب هذا بالنسبة المئوية. يمكن حساب ناتج التفاعل بقسمة الناتج أو المردود الفعلي على الناتج أو المردود النظري ثم الضرب في 100 بالمائة إذا أردنا كتابة الإجابة بالنسبة المئوية. لاحظ أننا في بعض الأحيان لا نضع علامة النسبة المئوية في هذه المعادلة.

المردود الفعلي، الذي يسمى أيضًا المردود التجريبي، هو كمية الناتج التي نحصل عليها في الواقع بعد التفاعل. ونقيسه عادة بالمول أو الجرام. وإذا كان الناتج مادة صلبة، يمكن وزنه في المعمل بالجرامات للحصول على المردود الفعلي. أما المردود النظري فهو أقصى كمية من الناتج يمكن تكوينها من كميات المتفاعلات المعطاة. ونقيسه عادة أيضًا بالمول أو الجرام، ويتحدد بواسطة العمليات الحسابية.

يكون المردود المئوي قيمة موجبة دائمًا. وتكون عادة هذه القيمة أقل من 100 بالمائة، لكنها تكون أحيانًا أكبر من 100 بالمائة. إذا كانت أكبر من 100 بالمائة، نعلم أن شيئًا غير متوقع قد حدث في التفاعل، وأنه لا تزال هناك شوائب أو مذيبات متبقية مع الناتج. وجود الشوائب أو المذيبات يجعل كتلة الناتج أكبر من القيمة القصوى الممكنة، وهي 100 بالمائة.

إذن لحساب المردود المئوي، نحتاج إلى قيمتين: المردود الفعلي والمردود النظري. ذكرنا أن المردود الفعلي كمية مقيسة، والمردود النظري كمية محسوبة. إذن لحساب المردود المئوي، علينا أولًا أن نحسب المردود النظري. لكن لتحديد المردود النظري، علينا أولًا تحديد أي المواد المتفاعلة هي المواد المتفاعلة المحددة. لكن ما المادة المتفاعلة المحددة بالضبط، والمعروفة أيضًا باسم العامل المحدد؟

يمثل التفاعل التالي تفاعل الحديد مع الكبريت لإنتاج كبريتيد الحديد الثنائي. توضح معاملات العناصر التكافئية أن ذرة واحدة من الحديد تتفاعل مع ذرة واحدة من الكبريت لإنتاج وحدة صيغة واحدة من كبريتيد الحديد الثنائي، أو أن مولًا واحدًا من الحديد يتفاعل مع مول واحد من الكبريت لإنتاج مول واحد من الناتج. ومع ذلك، يوضح الشكل أنه في بعض الأحيان لا تكون المتفاعلات موجودة بنسبة صحيحة وفقًا للمعادلة الموزونة.

ويوضح لنا الشكل أنه عندما يتفاعل الحديد والكبريت، لا تجد إحدى ذرات الحديد ذرة كبريت لتتفاعل معها. يمكننا ملاحظة أن الحديد لم يستهلك بالكامل. فنقول إن الحديد موجود بكمية فائضة، ويمثل المادة المتفاعلة الفائضة في هذا المثال. من ناحية أخرى، الكبريت في هذا المثال تحديدًا استهلك بالكامل. فدخلت كمية الكبريت بأكملها في التفاعل. ونسمي الكبريت المادة المتفاعلة المحددة أو العامل المحدد. في نهاية التفاعل، تستهلك المادة المتفاعلة المحددة دائمًا بالكامل. وتتبقى بعض المتفاعلات الزائدة أو لا تدخل في التفاعل.

من المهم تحديد أي المواد المتفاعلة هي المادة المتفاعلة المحددة، لأن المادة المتفاعلة المحددة هي التي تحدد الكمية الممكنة للناتج. في هذا المثال، حددت المادة المتفاعلة المحددة، وهي الكبريت، كمية الناتج الممكنة من كبريتيد الحديد الثنائي بصورة مباشرة. بعبارة أخرى، تحدد المادة المتفاعلة المحددة المردود النظري.

لنلق نظرة على كيفية تحديد أي مادة متفاعلة هي المادة المتفاعلة المحددة. تخيل أن مولين من البروبان، ‪C3H8‬‏، يتفاعلان مع سبعة مولات من غاز الأكسجين لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون والماء. هذه هي المعادلة الموزونة. توجد طريقتان لتحديد أي المواد المتفاعلة هي المادة المتفاعلة المحددة.

في الطريقة الأولى، لدينا خطوتان. الخطوة الأولى هي حساب المولات المطلوبة من المادة المتفاعلة الأولى لاستهلاك جميع المولات المعطاة من المادة المتفاعلة الثانية، والخطوة الثانية هي مقارنة عدد المولات المطلوبة من المادة المتفاعلة الأولى بعدد المولات المعطاة. من المعادلة الموزونة، نعلم أن المول الواحد من البروبان يتفاعل مع خمسة مولات من الأكسجين. يمكننا حساب مولات البروبان المطلوبة إذا استهلكت جميع مولات الأكسجين بكتابة: ‪𝑥‬‏ مولات من البروبان تتفاعل مع سبعة مولات من ‪O2‬‏.

يمكننا الآن إيجاد قيمة ‪𝑥‬‏ بقول إن خمسة ‪𝑥‬‏ يساوي واحدًا في سبعة. يمكننا جعل ‪𝑥‬‏ في طرف بمفرده في الصيغة. ‏‪𝑥‬‏ يساوي واحدًا في سبعة على خمسة. ونحصل على الإجابة، وهي أن ‪𝑥‬‏ يساوي 1.4 مول من البروبان تلزم لاستهلاك جميع مولات الأكسجين السبعة.

في الخطوة الثانية، علينا أن نقارن المولات المطلوبة من المادة المتفاعلة الأولى، أي البروبان، بعدد المولات المعطى. ويمكننا أن نرى أن عدد مولات البروبان المطلوب، وهو 1.4 مول، أقل من عدد مولات البروبان المعطى، وهو مولان. لذا نقول إن البروبان موجود بكمية فائضة، لأن لدينا بروبان أكثر من حاجتنا. فنقول إن البروبان هو المادة المتفاعلة الفائضة. ومن ثم، فالأكسجين هو المادة المتفاعلة المحددة. لنكتب ‪E‬‏ بجانب البروبان في المعادلة، و‪L‬‏ بجانب الأكسجين للتعبير عن المادة المتفاعلة الفائضة والمحددة.

توجد خطوات بديلة لتنفيذ الطريقة الأولى. وهي أننا في الخطوة الأولى نحسب المولات المطلوبة من المادة المتفاعلة الثانية لاستهلاك جميع المولات المعطاة من المادة المتفاعلة الأولى، وفي الخطوة الثانية نقارن المولات المطلوبة من المادة المتفاعلة الثانية بعدد المولات المعطى. إذن لنمسح الأعداد التي تحتها خط باللون الوردي ونبدلها. فنكتب العدد اثنين مكان العدد واحد. ونكتب العدد واحدًا مكان العدد اثنين.

الفرق هنا هو أنه يمكننا أخذ مولات البروبان المعطاة لإيجاد مولات الأكسجين اللازمة لاستهلاك مولات البروبان المعطاة. سنجري العملية الحسابية نفسها بالضبط التي أجريناها سابقًا، وسنحصل على الإجابة، وهي أن 10 مولات من الأكسجين تلزم لاستهلاك مولين من البروبان. إذا قارنا بعد ذلك مولات الأكسجين المطلوبة، وهي 10 مولات، بمولات الأكسجين المعطاة، وهي سبعة مولات، نجد أننا نحتاج إلى مولات أكثر من المعطاة. إذن ستستهلك كل مولات الأكسجين السبعة في التفاعل، ومن ثم نعرف أن الأكسجين هو المادة المتفاعلة المحددة. وعليه، يكون البروبان هو الفائض أو المادة المتفاعلة الفائضة. وهذا يؤكد ما رأيناه في النسخة الأولى من الطريقة الأولى.

في الطريقة الثانية، علينا حساب كمية المادة الناتجة المتكونة من كميات كل مادة متفاعلة على حدة، ثم مقارنة الكميتين اللتين حسبناهما للمادة الناتجة لإيجاد الكمية الأصغر. لنجعل ثاني أكسيد الكربون المادة الناتجة المعنية. سنوجد العلاقة بين مولات البروبان ومولات ثاني أكسيد الكربون، وبين مولات الأكسجين ومولات ثاني أكسيد الكربون لإكمال الخطوة الأولى.

لم نكتب هنا صيغة معادلة، ولكن صيغة نسبة، لتوفير المساحة. يتفاعل مول واحد من البروبان لإنتاج ثلاثة مولات من ثاني أكسيد الكربون. وعليه، سينتج من مولي البروبان المعطيين ‪𝑥‬‏ مول من ثاني أكسيد الكربون. وبالحل لإيجاد ‪𝑥‬‏، كما فعلنا من قبل، نحصل على ‪𝑥‬‏ يساوي ستة مولات من ثاني أكسيد الكربون، وهو ما يمكن إنتاجه من مولين من البروبان. ورأينا أن خمسة مولات من الأكسجين تتفاعل لإنتاج ثلاثة مولات من ثاني أكسيد الكربون. إذن بأخذ مولات الأكسجين السبعة المعطاة، يمكننا إيجاد قيمة ‪𝑥‬‏، وهو العدد النسبي لمولات ثاني أكسيد الكربون الناتجة من مولات الأكسجين السبعة. وبالحل لإيجاد ‪𝑥‬‏ كما فعلنا من قبل، نحصل على ‪𝑥‬‏ يساوي 4.2 مول من ثاني أكسيد الكربون، وهو ما يمكن إنتاجه من سبعة مولات من الأكسجين.

الخطوة التالية هي المقارنة بين هاتين القيمتين لنرى أي قيمة منهما هي الكمية الأصغر. نلاحظ أن كمية مولات ثاني أكسيد الكربون التي يمكن إنتاجها من الأكسجين المتوفر أقل من مولات ثاني أكسيد الكربون التي يمكن إنتاجها من البروبان المتوفر. وهذا يؤكد مرة أخرى أن الأكسجين هو المادة المتفاعلة المحددة، وأن البروبان موجود بكمية فائضة عن الحاجة.

4.2 مولات من ثاني أكسيد الكربون هو المردود النظري أو أقصى مردود محتمل لثاني أكسيد الكربون يمكن أن يتكون. نعرف هذا لأن هذه الكمية من المولات تنتج من مولات الأكسجين، وهو العامل المحدد. وقد قلنا إن العامل المحدد أو المادة المتفاعلة المحددة هي التي تحدد مولات الناتج التي يمكن أن تتكون.

حتى الآن، عرفنا ما هي المادة المتفاعلة المحددة، وكيف نحدد المادة المتفاعلة المحددة عن طريق العمليات الحسابية، وكيف يمكن لهذه المادة تحديد أقصى كمية للناتج يمكن تكوينها، بعبارة أخرى المردود النظري. لنتناول الآن مثالًا على حساب المردود المئوي.

توضح المعادلة أن 31.5 جرامًا من الزنك تفاعلت مع كمية فائضة من محلول كبريتات النحاس، لتكوين 28.1 جرامًا من النحاس ومحلول كبريتات الزنك. يمكننا أن نعتبر أن كتلة النحاس المعطاة هي المردود الفعلي الذي حصلنا عليه في الواقع. وبما أن كبريتات النحاس موجود بكمية فائضة، نعرف تلقائيًّا أن الزنك هو المادة المتفاعلة المحددة.

نحتاج إلى حساب الكتلة المولية للزنك ثم عدد مولاته. ومن هذا، يمكننا حساب عدد مولات الناتج، أي المردود النظري بالمولات. ويمكننا استخدام الكتلة المولية للنحاس في إيجاد كتلته. وهذا هو المردود النظري بالجرام. القيمتان الموضوعة إلى جوارهما نجمة هما القيمتان اللتان سنحتاج إليهما في حساب المردود المئوي. لذا، إذا أخذنا الكتلة المولية للزنك من الجدول الدوري، وهي تساوي 65.38 جرامًا لكل مول، يمكننا تحديد عدد مولات الزنك بالتعويض بقيم الكتلة والكتلة المولية، وهو ما يعطينا 0.482 مول من الزنك.

نعلم أن الزنك ينتج النحاس بنسبة مول واحد إلى مول واحد من المعادلة الموزونة. إذن 0.482 مول من الزنك سينتج 0.482 مول من ناتج النحاس. يمكننا الآن حساب كتلة ناتج النحاس المتكون من 0.482 مول من النحاس. بالتعويض بقيمة المول وقيمة الكتلة المولية للنحاس من الجدول الدوري، نحصل على 30.63 جرامًا من النحاس يمكن إنتاجها من 31.5 جرامًا من الزنك. وهذا هو المردود النظري للنحاس بالجرام.

وبما أننا نعرف المردود الفعلي والمردود النظري للنحاس، يمكننا الآن حساب المردود المئوي له بقسمة المردود الفعلي على المردود النظري ثم الضرب في 100 بالمائة. ويمكننا كتابة القيم هنا. وسنحصل على الإجابة وهي 91.7 بالمائة من النحاس. ماذا يعنى هذا؟ يعني هذا أن 91.7 بالمائة من النحاس الذي كان يمكن أن يتكون قد تكون بالفعل. أما النسبة المتبقية وهي 8.3 بالمائة، فلم يتم إنتاجها أو جمعها. في الواقع، 91.7 بالمائة إجابة منطقية لأن البسط أصغر قليلًا من المقام. وهذا هو الحال غالبًا. فيكون غالبًا المردود المئوي أقل من 100 بالمائة، وإن كان في بعض الأحيان يمكن أن يزيد عن 100 بالمائة.

لنلق نظرة على العوامل المؤثرة على المردود المئوي. بعض هذه العوامل موضحة هنا. تساهم العوامل الأربعة الأولى في أن يكون المردود المئوي أقل من 100 بالمائة. ويتسبب العامل الأخير في أن يكون المردود المئوي أكبر من 100 بالمائة، أو على الأقل أكبر من المردود الفعلي الواقعي.

في التفاعل غير التام، لا تستهلك جميع المتفاعلات ولا تتحول إلى نواتج. في التفاعلات الانعكاسية، تعيد بعض النواتج تكوين المتفاعلات الأولية. وعند حدوث تفاعلات ثانوية، يمكن أن يتكون ناتج أقل من الناتج المطلوب. وأثناء جمع الناتج في نهاية التفاعل، لا يجمع الناتج المتكون كله في بعض الأحيان. قد يرجع هذا لعدة أسباب. على سبيل المثال، في عمليات إعادة التبلور، في بعض الأحيان لا يتبلور الناتج المذاب كله مرة أخرى في المذيب لتكوين بلورات مناسبة يمكن ترشيحها بعد ذلك. ويعد نقل الناتج من قطعة زجاجية إلى أخرى مثالًا آخر على ذلك. أحيانًا تظل بعض جزيئات الناتج على القطعة الزجاجية الأولى ويستحيل جمعها.

بالنسبة للناتج المشوب أو الرطب، يكون المردود الفعلي أحيانًا أكبر من المردود النظري، مما ينتج عنه مردود مئوي أكبر من 100 بالمائة. وهذا لأن الشوائب أو المذيبات الممثلة باللون الأزرق في تمثيل الأعمدة البياني والموجودة مع الناتج تزيد أو تضخم المردود الفعلي؛ بحيث يكون أعلى من الكمية المتوقعة.

المردود المئوي الأقل من 100 بالمائة جيد، وإن كان ليس مثاليًّا. على سبيل المثال، تعد طريقة هابر في الصناعة تفاعلًا انعكاسيًّا، وتحتوي على مردود مئوي منخفض للغاية يصل إلى حوالي 20 بالمائة في بعض الأحيان عند إجراء التفاعل في درجة حرارة مرتفعة. ومع ذلك، يشير المردود المئوي الأكبر من 100 بالمائة دائمًا إلى حدوث خطأ ما. لذا في المرة القادمة التي تحصل فيها على مردود أعلى من 100 بالمائة، لا تسارع إلى الاحتفال.

والآن لنلخص النقاط الرئيسية التي تعلمناها في هذا الدرس. أولًا، المردود الفعلي هو كمية الناتج المتكون والمجمع في الواقع. والمردود النظري هو الكمية القصوى المحسوبة للناتج التي يمكن أن تتكون من كميات المتفاعلات المعطاة. عرفنا أن المردود المئوي يساوي المردود الفعلي مقسومًا على المردود النظري مضروبًا في 100 بالمائة، وأن المادة المتفاعلة المحددة تحدد بشكل مباشر المردود النظري للناتج الذي يمكن أن يتكون.

وأخيرًا، تعرفنا على العوامل المؤثرة على المردود المئوي. وتتضمن هذه العوامل: إتمام التفاعل، والتفاعلات الثانوية، وانعكاس التفاعلات، وجمع الناتج ونقاءه.