Claudio Tavagnacco 01.10.07
In molte operazioni chimiche è inevitabile ottenere una quantità di prodotti inferiore a quella teorica.
MOTIVI
1) espressamente di natura chimica.
a) equilibrio non totalmente spostato a destra;
(principio di Le Chatelier)
b) alla reazione principale sono accoppiate reazioni parallele o consecutive che forniscono prodotti diversi da quello voluto.
A + B --> C principale
A + B --> D secondaria parallela
A + B --> E “ “
C --> F consecutiva
A + C --> G consecutiva father-son
2) legati alle operazioni pratiche che si eseguono.
si perde sempre un po’ di prodotto nelle manipolazioni:
- non si ricupera totalmente un prodotto dalle pareti dei recipienti o dagli imbuti;
- ricristallizzando un prodotto se ne perde una parte perché esso è un po’ solubile anche nel solvente freddo;
- filtrando una soluzione su filtro a pieghe, un po’ di soluto precipita nei pori della carta da filtro e viene perso, oppure il soluto passa oltre la carta mentre si filtra su imbuto di Buchner;
- del soluto resta assorbito sui boiling chips;
- si spande del soluto pesandolo;...
È necessario, valutare la resa % di una sintesi chimica --> determinare
(quantità reale / quantità teorica) x 100
INCREMENTO DELLA RESA
1) espressamente di natura chimica.
a) Uso dei catalizzatori per accelerare alcune reazioni a scapito di altre indesiderate
b) Se equilibrio poco spostato a dx
- aggiungere un eccesso di uno o più reattivi
- sottrarre i prodotti via via che si formano.
c) Se reazione endotermica
- aumentare la temperatura a cui si opera.
d) Se reazione esotermica
- abbassare la temperatura, stando attenti a non rallentarla troppo: usare catalizzatori
e) Se sono coinvolti dei gas
si può operare opportunamente sulla pressione del sistema (principio di Le Chatelier)
2) legati alle operazioni pratiche che si eseguono.
Operare col massimo dell’attenzione per perdere la minima quantità di prodotto.
Cambiare metodologia (solventi, T, P, concentrazioni, apparecchiature di forma e volume adeguati,...)
Valutare il rapporto qualità / quantità
Calcolo della resa
È necessario:
1) conoscere esattamente la stechiometria della reazione e verificare se uno dei reattivi risulta in difetto: --> fattore o reattivo limitante;
2) calcolare quale dovrebbe essere la quantità di prodotto ottenuto, se tutto il reattivo limitante reagisse e non ci fossero perdite di sostanze nel corso delle operazioni;
3) calcolare % della resa come
quantità prodotto ottenuto / quantità teorica x 100.
Esempio
5.00 g di KMnO4 vengono fatti reagire a T = 100 °C con 2.00 ml di alcol benzilico in presenza di 10.0 ml di H2SO4 concentrato (96% w/w).
Usando i dati in tabella e sapendo che si ottengono 0.25 g di acido benzoico (prodotto principale), determinare la resa % della reazione rispetto al reattivo limitante.
|
composto |
PM |
r g/mL |
|
alcol benzilico |
108.13 |
1.05 |
|
H2SO4 |
98.078 |
1.84 |
|
KMnO4 |
158.04 |
--- |
|
acido benzoico |
122.12 |
--- |
5C6H5CH2OH + 4MnO4- + 12H+ --> 5C6H5COOH + 4Mn2+ + 11H2O
(correggere il 9 con 11 nel testo pag. 220 ediz. 2000)
n° moli (solido) = g/PM
n° moli (soluzioni) = M x V
r (densità) = massa/V
È necessario appurare chi sia il reattivo limitante: per questo si deve calcolare il numero di moli di ciascun reattivo introdotte nell’ambiente di reazione.
KMnO4
n° moli KMnO4 = 5 g /158.04 = 0.0316
alcol benzilico
massa = 1.05 g/mL x 2 mL = 2.1 g n°moli = 2.1 g / 108.13 = 0.0194
H2SO4
massa di 1 L Þ 1.84 g/mL x 1000 mL/L = 1840 g
di cui acido puro 1840 g x 96/100 = 1766.4 g
n°moli = 1766.4 g/ 98.078 = 18.01 moli/L = M
In 10 mL di soluzione sono contenute: 18.01 : 1000 mL = x : 10 mL
x = 0.18 moli di H2SO4 ovvero son presenti 0.36 moli di H+.
La reazione globale è:
5C6H5CH2OH + 4MnO4- + 12H+ --> 5C6H5COOH + 4Mn2+ + 11H2O
|
|
n° moli presenti |
coeff. stech. |
n° moli / coeff. stech. |
normalizzazione |
|
H+ |
0.36 |
12 |
0.03 |
0.03/0.0039 = 7.7 |
|
KMnO4 |
0.0316 |
4 |
0.0079 |
0.0079/0.0039 = 2.0 |
|
a.benzilico |
0.0194 |
5 |
0.0039 |
0.0039/0.0039 = 1 |
L’ultima colonna rappresenta la normalizzazione della penultima, cioè è riportato il valore della terza colonna / il valore più piccolo, sempre della terza colonna.
Dal rapporto n° moli/coeff.stechiometrico e dalla normalizzazione si evince che a.benzilico è il reattivo limitante mentre H2SO4 e KMnO4 sono in eccesso.
Si osserva che KMnO4 è presente in quantità doppia rispetto al necessario mentre H+ è in eccesso di 7.7 volte.
Nota: se i reattivi si trovassero mescolati nel giusto rapporto stechiometrico di reazione, allora n° moli /coeff. stechimetrico sarebbe uguale per tutti e conseguentemente il valore della normalizzazione sarebbe 1 per tutti.
Tornando alla reazione in esame,
5C6H5CH2OH + 4MnO4- + 12H+ --> 5C6H5COOH + 4Mn2+ + 11H2O
moli iniz. 0.0194 0.0316 0.36
Moli di MnO4- che reagiscono = 4/5 (moli a.benzilico) = 0.0155: ne restano 0.016
Moli di H+ che reagiscono = 12/5 (moli a.benzilico) = 0.0466: ne restano 0.313
n° moli di acido benzoico teoricamente prodotte = n° moli di alcol benzilico iniziale
= 0.0194 pari a 2.37 g.
La resa % risulta, dunque: 0.25 g / 2.37g x 100 = 10 %.
Se ricristallizzando il prodotto ne rimangono 0.120 g, qual è la resa globale della sintesi ?
0.1 / 2.37 x 100 = 5 %.