Come Calcolare la Resa Percentuale in Chimica

In chimica, la resa teorica rappresenta la quantità massima di prodotto ottenibile da una reazione chimica. Nella realtà, la maggior parte delle reazioni non raggiunge un grado perfetto di efficienza. Quando si effettuano gli esperimenti sul campo, la quantità di prodotto che si ottiene da una determinata reazione chimica è spesso inevitabilmente inferiore a quella indicata dalla resa teorica. In questo caso si parla di resa effettiva. Per esprimere l'efficienza di una reazione chimica, occorre calcolare la resa percentuale utilizzando la seguente formula: resa percentuale = (resa effettiva/resa teorica) x 100. Una resa percentuale del 90% indica che la reazione in esame è stata efficiente al 90% e che c'è stato uno spreco di materiale pari al 10% (che può essere rappresentato dal reagente che non è stato coinvolto nella reazione o dal prodotto finale che non è stato recuperato).

Parte 1

Parte 1 di 3:

Individuare il Reagente Limitante

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Parti con un'equazione chimica bilanciata. Un'equazione chimica descrive i reagenti coinvolti in una reazione (situati nel membro sinistro) che danno forma a determinati prodotti (elencati nel membro destro). In ambito scolastico alcuni problemi di chimica forniscono già l'equazione di partenza bilanciata, mentre altri richiedono di individuarla da soli. Dato che, durante una reazione, gli atomi non vengono né creati né distrutti, ogni elemento presente nell'equazione dovrebbe avere lo stesso numero di atomi sia nel membro sinistro sia in quello destro.^{[1]XFonte di ricerca}
- Ad esempio, l'ossigeno e il glucosio, reagendo, danno vita ad anidride carbonica e ossigeno. Ecco l'equazione che descrive la reazione: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$
  . Ogni membro dell'equazione ha esattamente lo stesso numero di atomi per ciascun elemento: 6 atomi di carbonio (C), 12 atomi di idrogeno (H) e 18 atomi di ossigeno. Quindi l'equazione è bilanciata.
- Consulta questa guida se ti viene chiesto di bilanciare un'equazione chimica e hai dei dubbi o non sai come fare.
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Calcola la massa molare di ogni reagente presente nell'equazione. Individua la massa molare di ogni atomo del composto in esame, quindi somma i dati per ottenere la massa molare complessiva. Esegui questa operazione per una singola molecola di ogni elemento presente nel composto.
- Ad esempio, una molecola di ossigeno ( $O_{2}$ ) è composta da due atomi.
- La massa molare dell'ossigeno è di circa 16 g/mol (puoi trovare un valore molto più preciso consultando la tavola periodica degli elementi).
- 2 atomi di ossigeno x 16 g/mol = 32 g/mol di $O_{2}$ .
- L'altro reagente coinvolto è il glucosio ( $C_{6}H_{12}O_{6}$ ), che ha una massa molare pari a (6 atomi di carbonio x 12 g/mol) + (12 atomi di idrogeno x 1 g/mol) + (6 atomi di ossigeno x 16 g/mol) = 180 g/mol.
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Converti la massa di ogni reagente coinvolto nella reazione chimica da grammi a moli. Giunto a questo punto, puoi focalizzare l'attenzione sul problema specifico che devi studiare. Prendi nota della quantità, espressa in grammi, di ogni reagente presente nell'equazione. Dividi il valore ottenuto per la massa molare del composto per ottenere il corrispettivo espresso in moli.^{[2]XFonte di ricerca}
- Ad esempio, ipotizziamo che il reagente iniziale sia composto da 40 g di ossigeno e 25 g di glucosio.
- 40 g di $O_{2}$ / (32 g/mol) = 1,25 mol di ossigeno.
- 25 g di $C_{6}H_{12}O_{6}$ / (180 g/mol) = 0,139 mol di glucosio.
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Calcola il rapporto esistente fra i reagenti coinvolti nella reazione. Ricorda che la mole è un'unità di misura molto grande, che in chimica viene utilizzata per indicare la quantità di una determinata sostanza. A questo punto, sappiamo esattamente da quante molecole di ciascun reagente è composto il materiale di partenza della nostra reazione. Individua il rapporto esistente fra le molecole dei reagenti della reazione dividendo la quantità espressa in moli del primo per lo stesso valore del secondo.
- Nel nostro esempio abbiamo 1,25 mol di ossigeno e 0,139 mol di glucosio. Il rapporto fra le molecole di ossigeno e di glucosio è quindi pari a 1,25 / 0,139 = 9. Questo significa che il composto iniziale presenta un rapporto di 9:1 fra ossigeno e glucosio, cioè ha 9 molecole di ossigeno per ogni molecola di glucosio.
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Calcola il rapporto molecolare ideale per la reazione in esame. Osserva l'equazione chimica bilanciata di partenza che hai scritto nei passaggi precedenti. Questo dato mostra il rapporto molecolare ideale. Utilizzando la proporzione di reagenti indicato nell'equazione di partenza entrambe le quantità di elementi verranno consumate contemporaneamente.
- Il membro sinistro dell'equazione di partenza è $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ . I coefficienti di ciascun termine indicano che sono presenti 6 molecole di ossigeno e 1 di glucosio. Quindi deduciamo che il rapporto molecolare ideale della reazione è pari a 6 molecole di ossigeno / 1 molecola di glucosio = 6.
- Assicurati di elencare i reagenti rispettando lo stesso ordine che hai utilizzato per calcolare il rapporto molecolare precedente. Nel nostro esempio, come primo passo abbiamo calcolato la proporzione esistente fra l'ossigeno e il glucosio, quindi ora dovremo fare lo stesso. Invertendo i reagenti in uno dei due calcoli otterremmo un risultato errato nel prossimo passaggio.
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Confronta i due rapporti molecolari calcolati nei passaggi precedente per individuare quello che viene chiamato "reagente limitante" (o "fattore limitante"). Normalmente, in una reazione chimica irreversibile, uno dei reagenti coinvolti viene esaurito prima degli altri. Questo rappresenta il reagente limitante da cui si può anche ricavare la durata dell'intera reazione. Confronta i due rapporti molecolari calcolati in precedenza per individuare il reagente limitante:^{[3]XFonte di ricerca}
- Se il rapporto molecolare reale è più grande del rapporto molecolare ideale, significa che il reagente presente al numeratore della frazione è in quantità eccessiva rispetto al necessario. Il reagente che si trova al denominatore della frazione rappresenta quindi il fattore limitante.
- Se il rapporto molecolare reale è più piccolo del rapporto molecolare ideale, significa che la quantità del reagente presente al numeratore della frazione è inferiore al necessario, quindi rappresenta il fattore limitante della reazione.
- Nel nostro esempio, il rapporto molecolare effettivo fra ossigeno e glucosio (9) è maggiore di quello ideale (6). Possiamo quindi affermare che il reagente posto al denominatore della frazione, il glucosio, è il fattore limitante della reazione.
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Parte 2

Parte 2 di 3:

Calcolare la Resa Teorica

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Identifica il prodotto desiderato. Il membro destro dell'equazione chimica in esame mostra l'elenco dei prodotti che risultano dalla reazione. Ogni prodotto ha una sua resa teorica, che rappresenta la quantità di materiale che ci si aspetta di ottenere dalla reazione nel caso in cui quest'ultima sia perfettamente efficiente.
- Proseguendo con l'esempio riportato nella sezione precedente dell'articolo, analizziamo la reazione $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ . Il membro destro dell'equazione mostra che la reazione genera due prodotti: anidride carbonica e acqua. Calcola la resa dell'anidride carbonica: $CO_{2}$ .
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Prendi nota del numero di moli del reagente limitante. La resa teorica di una reazione chimica rappresenta la quantità di prodotto che verrebbe generato in condizioni perfette. Per calcolare questo valore, iniziamo dal prendere nota della quantità di reagente limitante espressa in moli (il processo da seguire è descritto nella sezione precedente dell'articolo).
- Nell'equazione chimica presa come esempio, abbiamo scoperto che il reagente limitante è il glucosio; inoltre ne abbiamo calcolato la quantità iniziale, che è pari a 0,139 mol.
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Individua la proporzione esistente fra le molecole di prodotto e di reagente. Per farlo, prendi in esame l'equazione bilanciata iniziale. Dividi il numero di molecole del prodotto desiderato per il numero di molecole del reagente limitante..
- L'equazione chimica bilanciata è $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ . Sono presenti 6 molecole di prodotto, l'anidride carbonica ( $CO_{2}$ ) e 1 molecola di reagente limitante, il glucosio ( $C_{6}H_{12}O_{6}$ ).
- Il rapporto esistente fra l'anidride carbonica e il glucosio è quindi pari a 6 / 1 = 6. In altre parole, la reazione in esame può produrre 6 molecole di anidride carbonica usando una sola molecola di glucosio.
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Moltiplica il rapporto appena calcolato per la quantità di reagente limitante espressa in moli. Il risultato che si ottiene è la resa teorica di prodotto espressa in moli.
- La quantità di glucosio iniziale è pari a 0,139 mol e il rapporto fra le molecole di anidride carbonica e glucosio è pari a 6. Possiamo quindi affermare che la resa teorica di anidride carbonica della reazione in esame sarà pari a (0,139 mol di glucosio) x (6 mol di anidride carbonica / 1 mol di glucosio) = 0,834 mol di anidride carbonica.
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Converti il risultato ottenuto in grammi. Per farlo, moltiplica la quantità di prodotto espressa in moli per il valore della massa molare del composto. In questo modo otterrai la resa teorica della reazione studiata espressa in grammi. Si tratta dell'unità di misura più utile da utilizzare nella maggior parte degli esperimenti.
- Ad esempio, la massa molare dell'anidride carbonica, CO₂, è pari a circa 44 g/mol (la massa molare del carbonio è pari a circa 12 g/mol, mentre quella dell'ossigeno è di circa 16 g/mol, quindi il totale è pari a 12 + 16 + 16 = 44).
- Moltiplica 0,834 mol di CO₂ per 44 g/mol (la massa molare del CO₂) ottenendo circa 36,7 g. Giunti a questo punto possiamo affermare che la resa teorica dell'esperimento studiato è pari a 36,7 g di anidride carbonica (CO₂).
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Parte 3

Parte 3 di 3:

Calcolare la Resa Percentuale

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Comprendi il significato di resa percentuale. La resa teorica di una reazione chimica rappresenta la quantità di prodotto che si otterrebbe in condizioni perfette. Nella realtà, questo risultato non si verifica mai a causa di agenti contaminanti e altre condizioni imprevedibili che impediscono a una parte del reagente di convertirsi completamente nel prodotto desiderato. Questo è il motivo per cui i chimici utilizzano 3 diversi concetti per fare riferimento alla resa di una reazione chimica:
- La resa teorica è la quantità massima di prodotto che si può ottenere da una reazione chimica.
- La resa effettiva invece è la quantità reale di prodotto che si ottiene misurando il materiale ottenuto al termine della reazione.
- La resa percentuale è pari a ${\frac {ResaEffettiva}{ResaTeorica}}*100\%$ . Ad esempio, una resa percentuale del 50% indica che al termine della reazione chimica osservata si è ottenuto il 50% di prodotto indicato dalla resa teorica.
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Prendi nota della resa effettiva dell'esperimento in esame. Se hai eseguito l'esperimento da solo, prendi il prodotto ottenuto alla conclusione della reazione, purificalo se necessario e pesalo usando una bilancia di precisione in modo da poterne calcolare la massa. Se stai lavorando a un problema teorico che ti è stato assegnato per esempio come compito dal tuo professore di chimica, la resa effettiva dovrebbe essere un'informazione già nota.
- Nel nostro caso ipotizziamo ad esempio che la resa effettiva della reazione sia di 29 g di CO₂.
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Dividi la resa effettiva per quella teorica. Assicurati di utilizzare la medesima unità di misura per esprimere entrambi i valori (normalmente si usano i grammi). Il risultato dovrebbe essere un valore inferiore all'unità.
- Nel nostro esempio la resa effettiva è pari a 29 g, mentre la resa teorica è pari a 36,7 g. Eseguendo il calcolo indicato otteniamo: ${\frac {29g}{36,7g}}=0,79$ .
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Moltiplica il risultato ottenuto per 100 in modo da convertirlo in forma percentuale. La risposta finale rappresenta la resa percentuale della reazione.
- 0,79 x 100 = 79%, quindi possiamo affermare che l'esperimento studiato ha avuto una resa percentuale del 79%. In altre parole si è ottenuto il 79% della quantità massima di anidride carbonica (CO₂) che poteva essere prodotta dalla reazione in esame.
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Consigli

Alcuni studenti di chimica confondono la resa percentuale (la quantità di prodotto ottenibile realmente dalla reazione chimica in esame in base alla quantità di reagente iniziale) con l'errore percentuale (lo scostamento fra i risultati ottenuti sperimentalmente e quelli aspettati). La formula corretta per calcolare la resa percentuale di una reazione è ${\frac {Resaeffettiva}{Resateorica}}x100$ . Se, anziché dividerli, si sottraggono i valori delle due rese, si ottiene l'errore percentuale.
Se ottieni dei risultati molto diversi fra loro, controlla le unità di misura. Se la resa effettiva differisce da quella teorica di un ordine di grandezza o più, significa che molto probabilmente hai usato le unità di misura sbagliate in uno dei passaggi dei calcoli. Ripeti il procedimento controllando con attenzione le unità di misura in ogni passaggio.
Se la resa percentuale ottenuta è maggiore del 100% (e sei certo che i calcoli sono corretti), significa che il prodotto ottenuto è stato contaminato da altre sostanze. Purifica il prodotto ottenuto (ad esempio seccandolo o filtrandolo), quindi pesalo di nuovo.