W wyniku reakcji 20 g tlenku magnezu z wodą otrzymano 20 g wodorotlenku magnezu. Oblicz wydajność reakcji. MMg = 24 g/mol, MO = 16 g/mol, MH = 1 g/mol.
Wydajność 68,9% wynika z porównania rzeczywistej masy produktu z masą teoretyczną, czyli taką, jaka powinna powstać przy całkowitym przereagowaniu substratu. Reakcja ma równanie: MgO + H₂O → Mg(OH)₂. Masa molowa MgO to 24 g/mol + 16 g/mol = 40 g/mol. Z 20 g MgO mamy więc 20 g : 40 g/mol = 0,5 mol. Ze stechiometrii widać, że 1 mol MgO daje 1 mol Mg(OH)₂, więc powinno powstać 0,5 mol wodorotlenku magnezu. Masa molowa Mg(OH)₂ wynosi 24 + 2 × (16 + 1) = 58 g/mol, czyli teoretycznie otrzymalibyśmy 0,5 × 58 g = 29 g produktu. W praktyce otrzymano 20 g, więc wydajność to 20 g : 29 g × 100% = 68,9%. Moim zdaniem to bardzo typowe zadanie laboratoryjne, bo w realnej pracy prawie nigdy nie dostaje się 100% produktu. Straty mogą wynikać z niedokładnego przeniesienia osadu, filtracji, przemywania, suszenia albo z tego, że reakcja nie zaszła do końca. Dobra praktyka branżowa jest taka: najpierw zapisuje się równanie reakcji, potem liczy mole, masę teoretyczną i dopiero na końcu wydajność. To ogranicza pomyłki, szczególnie przy solach i wodorotlenkach.
W tym zadaniu łatwo pójść na skróty i wtedy wynik zaczyna się rozjeżdżać. Sama informacja, że z 20 g tlenku magnezu otrzymano 20 g wodorotlenku magnezu, nie oznacza wydajności 100%, ani tym bardziej nie pozwala liczyć procentu tylko z mas substratu i produktu wprost. Trzeba uwzględnić stechiometrię oraz masy molowe, bo MgO i Mg(OH)₂ mają różne masy molowe. MgO ma 40 g/mol, a Mg(OH)₂ ma 58 g/mol, więc z tej samej liczby moli produktu masa będzie większa niż masa użytego tlenku. Wynik 20% zwykle bierze się z mechanicznego traktowania liczby 20 jako procentu albo z pominięcia masy teoretycznej. To nie jest poprawne podejście, bo wydajność zawsze odnosi się do maksymalnej ilości produktu, jaką da się otrzymać z substratu ograniczającego. Wynik 48,2% może pojawić się, gdy ktoś miesza masy molowe albo dzieli przez niewłaściwą masę, na przykład przez sumę jakichś składników bez sensu stechiometrycznego. Z kolei 79,2% wygląda jak rezultat częściowo poprawnego toku, ale z błędem w masie molowej wodorotlenku albo w proporcji molowej. W równaniu MgO + H₂O → Mg(OH)₂ stosunek molowy MgO do Mg(OH)₂ wynosi 1:1, więc z 0,5 mol MgO powstaje teoretycznie 0,5 mol Mg(OH)₂, czyli 29 g. Dopiero porównanie 20 g rzeczywistego produktu z 29 g produktu teoretycznego daje 68,9%. W laboratorium takie liczenie jest ważne praktycznie, bo pozwala ocenić jakość przeprowadzonej syntezy, straty podczas sączenia i suszenia oraz ogólną sprawność procesu. Z mojego doświadczenia najlepiej zawsze zapisać jednostki przy każdym działaniu, bo wtedy od razu widać, czy liczymy mole, gramy, czy procenty.