Rendimento (química) - Yield (chemistry)

Em química , o rendimento , também conhecido como rendimento da reação , é uma medida da quantidade de moles de um produto formado em relação ao reagente consumido, obtido em uma reação química , geralmente expressa em porcentagem. O rendimento é um dos principais fatores que os cientistas devem considerar nos processos de síntese química orgânica e inorgânica . Em engenharia de reação química, "rendimento", " conversão"e" seletividade "são termos usados ​​para descrever as razões de quanto de um reagente foi consumido (conversão), quanto produto desejado foi formado (rendimento) em relação ao produto indesejado (seletividade), representado como X, Y e S .

Definições

Na engenharia de reação química, "rendimento", " conversão " e "seletividade" são termos usados ​​para descrever as razões de quanto de um reagente reagiu - conversão, quanto de um produto desejado foi formado - rendimento e quanto produto desejado foi formado em proporção ao produto indesejado - seletividade, representada como X, S e Y.

De acordo com o manual Elements of Chemical Reaction Engineering , o rendimento refere-se à quantidade de um produto específico formado por mol de reagente consumido. Em química, mol é usado para descrever quantidades de reagentes e produtos em reações químicas.

O Compêndio de Terminologia Química definiu o rendimento como a " razão que expressa a eficiência de um processo de conversão de massa. O coeficiente de rendimento é definido como a quantidade de massa celular (kg) ou produto formado (kg, mol) em relação ao substrato consumido (carbono ou fonte de nitrogênio ou oxigênio em kg ou moles) ou para a produção intracelular de ATP (moles). "

Na seção "Cálculos de rendimentos no monitoramento de reações" da 4ª edição do Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (1978) de 1996 , os autores escrevem que "o rendimento teórico em uma reação orgânica é o peso do produto que seria obtido se a reação foi concluída de acordo com a equação química. O rendimento é o peso do produto puro que é isolado da reação. " Na edição de 1996 do Vogel's Textbook , o rendimento percentual é expresso como,

${\ displaystyle {\ mbox {porcentagem de rendimento}} = {\ frac {\ mbox {peso do produto}} {\ mbox {rendimento teórico}}} \ times 100}$

De acordo com a edição de 1996 do Vogel's Textbook , rendimentos próximos de 100% são chamados de quantitativos , rendimentos acima de 90% são chamados de excelentes , rendimentos acima de 80% são muito bons , rendimentos acima de 70% são bons , rendimentos acima de 50% são razoáveis e os rendimentos abaixo de 40% são chamados de pobres . Em sua publicação de 2002, Petrucci, Harwood e Herring escreveram que os nomes dos livros didáticos de Vogel eram arbitrários e não universalmente aceitos e, dependendo da natureza da reação em questão, essas expectativas podem ser exageradamente altas. Os rendimentos podem parecer 100% ou mais quando os produtos são impuros, pois o peso medido do produto incluirá o peso de quaisquer impurezas.

Em seu manual de laboratório de 2016, Química Orgânica Experimental , os autores descreveram o "rendimento da reação" ou "rendimento absoluto" de uma reação química como a "quantidade de produto puro e seco produzido em uma reação". Eles escreveram que conhecer a estequiometria de uma reação química - os números e tipos de átomos nos reagentes e produtos, em uma equação balanceada "torna possível comparar diferentes elementos por meio de fatores estequiométricos". As razões obtidas por essas relações quantitativas são úteis na análise de dados.

Rendimentos teóricos, reais e percentuais

O rendimento percentual é uma comparação entre o rendimento real - que é o peso do produto pretendido de uma reação química em um ambiente de laboratório - e o rendimento teórico - a medição do produto isolado pretendido puro, com base na equação química de um produto químico perfeito reação, e é definido como,

${\ displaystyle {\ mbox {porcentagem de rendimento}} = {\ frac {\ mbox {rendimento real}} {\ mbox {rendimento teórico}}} \ times 100}$

A relação ideal entre produtos e reagentes em uma reação química pode ser obtida usando uma equação de reação química. A estequiometria é usada para executar cálculos sobre reações químicas, por exemplo, a razão molar estequiométrica entre reagentes e produtos. A estequiometria de uma reação química é baseada em fórmulas e equações químicas que fornecem a relação quantitativa entre o número de moles de vários produtos e reagentes, incluindo rendimentos. Equações estequiométricas são usadas para determinar o reagente ou reagente limitante - o reagente que é completamente consumido em uma reação. O reagente limitante determina o rendimento teórico - a quantidade relativa de moles de reagentes e o produto formado em uma reação química. Outros reagentes estão presentes em excesso. O rendimento real - a quantidade fisicamente obtida de uma reação química conduzida em um laboratório - costuma ser menor que o rendimento teórico. O rendimento teórico é o que seria obtido se todo o reagente limitante reagisse para dar o produto em questão. Um rendimento mais preciso é medido com base em quanto produto foi realmente produzido versus quanto poderia ser produzido. A relação entre o rendimento teórico e o rendimento real resulta em um rendimento percentual.

Quando mais de um reagente participa de uma reação, o rendimento é geralmente calculado com base na quantidade do reagente limitante , cuja quantidade é menor do que estequiometricamente equivalente (ou apenas equivalente) às quantidades de todos os outros reagentes presentes. Outros reagentes presentes em quantidades maiores do que o necessário para reagir com todos os reagentes limitantes presentes são considerados em excesso. Como resultado, o rendimento não deve ser considerado automaticamente como uma medida para a eficiência da reação.

Em sua publicação de 1992, General Chemistry , Whitten, Gailey e Davis descreveram o rendimento teórico como a quantidade prevista por um cálculo estequiométrico baseado no número de moles de todos os reagentes presentes. Este cálculo assume que apenas uma reação ocorre e que o reagente limitante reage completamente.

De acordo com Whitten, o rendimento real é sempre menor (o rendimento percentual é inferior a 100%), muitas vezes muito, por vários motivos. Como resultado, muitas reações são incompletas e os reagentes não são completamente convertidos em produtos. Se ocorrer uma reação reversa, o estado final conterá reagentes e produtos em um estado de equilíbrio químico . Duas ou mais reações podem ocorrer simultaneamente, de modo que algum reagente é convertido em produtos colaterais indesejados. Perdas ocorrem na separação e purificação do produto desejado da mistura de reação. As impurezas estão presentes no material de partida que não reagem para dar o produto desejado.

Exemplo

Este é um exemplo de uma reação de esterificação onde uma molécula de ácido acético (também chamado de ácido etanóico) reage com uma molécula de etanol , produzindo uma molécula de acetato de etila (uma reação bimolecular de segunda ordem do tipo A + B → C):

120 g de ácido acético (60 g / mol, 2,0 mol) foi feito reagir com 230 g de etanol (46 g / mol, 5,0 mol), rendendo 132 g de acetato de etila (88 g / mol, 1,5 mol). O rendimento foi de 75%.

1. A quantidade molar dos reagentes é calculada a partir dos pesos (ácido acético: 120 g ÷ 60 g / mol = 2,0 mol; etanol: 230 g ÷ 46 g / mol = 5,0 mol).
2. O etanol é usado em um excesso de 2,5 vezes (5,0 mol ÷ 2,0 mol).
3. O rendimento molar teórico é de 2,0 mol (a quantidade molar do composto limitante, ácido acético).
4. O rendimento molar do produto é calculado a partir do seu peso (132 g ÷ 88 g / mol = 1,5 mol).
5. A % de rendimento é calculada a partir do rendimento molar real e do rendimento molar teórico (1,5 mol ÷ 2,0 mol x 100% = 75%).

Purificação de produtos

Em seu 2016 Handbook of Synthetic Organic Chemistry , Michael Pirrung escreveu que o rendimento é um dos principais fatores que os químicos sintéticos devem considerar ao avaliar um método sintético ou uma transformação particular em "sínteses em várias etapas". Ele escreveu que um rendimento com base no material de partida recuperado (BRSM) ou (BORSM) não fornece o rendimento teórico ou "100% da quantidade de produto calculada", que é necessário para dar o próximo passo na sistema de múltiplas etapas .

As etapas de purificação sempre reduzem o rendimento, por meio de perdas incorridas durante a transferência de material entre os vasos de reação e o aparelho de purificação ou separação imperfeita do produto das impurezas, o que pode exigir o descarte de frações consideradas insuficientemente puras. O rendimento do produto medido após a purificação (tipicamente até> 95% de pureza espectroscópica ou pureza suficiente para passar na análise de combustão) é chamado de rendimento isolado da reação.

Rendimento do padrão interno

Os rendimentos também podem ser calculados medindo a quantidade de produto formado (normalmente na mistura de reação em bruto, não purificada) em relação a uma quantidade conhecida de um padrão interno adicionado, usando técnicas como cromatografia gasosa (GC), cromatografia líquida de alto desempenho ou Nuclear espectroscopia de ressonância magnética ( espectroscopia de NMR) ou espectroscopia de ressonância magnética (MRS). Um rendimento determinado usando esta abordagem é conhecido como rendimento padrão interno . Os rendimentos são tipicamente obtidos desta maneira para determinar com precisão a quantidade de produto produzida por uma reação, independentemente de potenciais problemas de isolamento. Além disso, eles podem ser úteis quando o isolamento do produto é desafiador ou tedioso, ou quando a determinação rápida de um rendimento aproximado é desejada. Salvo indicação em contrário, os rendimentos relatados na literatura de química orgânica e inorgânica sintética referem-se a rendimentos isolados, que refletem melhor a quantidade de produto puro que se pode obter nas condições relatadas, ao repetir o procedimento experimental.

Relatório de rendimentos

Em seu artigo Synlett de 2010 , Martina Wernerova e o químico orgânico, Tomáš Hudlický, levantaram preocupações sobre relatórios imprecisos de rendimentos e ofereceram soluções - incluindo a caracterização adequada de compostos. Depois de realizar experimentos de controle cuidadosos, Wernerova e Hudlický disseram que cada manipulação física (incluindo extração / lavagem, secagem sobre dessecante, filtração e cromatografia em coluna) resulta em uma perda de rendimento de cerca de 2%. Assim, os rendimentos isolados medidos após o processamento aquoso padrão e a purificação cromatográfica raramente devem exceder 94%. Eles chamaram esse fenômeno de "inflação de rendimentos" e disseram que a inflação de rendimentos gradualmente aumentou nas últimas décadas na literatura de química. Eles atribuíram a inflação do rendimento à medição descuidada do rendimento em reações conduzidas em pequena escala, pensamento positivo e um desejo de relatar números mais altos para fins de publicação. O artigo de Hudlický de 2020 publicado na Angewandte Chemie - desde que se retratou - homenageou e ecoou a freqüentemente citada revisão de 30 anos de síntese orgânica de Dieter Seebach , que também havia sido publicada na Angewandte Chemie . Em sua revisão de 30 anos da Angewandte Chemie em 2020 , Hudlický disse que as sugestões que ele e Wernerova fizeram em seu artigo da Synlett de 2020 foram "ignoradas pelos conselhos editoriais de periódicos orgânicos e pela maioria dos revisores".

Veja também

• Conversão (química)
• Rendimento quântico

Notas

Leitura adicional

• Whitten, Kenneth W .; Davis, Raymond E; Peck, M. Larry (2002). Química geral . Fort Worth: Thomson Learning. ISBN 978-0-03-021017-4.
• Whitten, Kenneth W; Gailey, Kenneth D (1981). Química geral . Filadélfia: Saunders College Pub. ISBN 978-0-03-057866-3.
• Petrucci, Ralph H .; Herring, F. Geoffrey; Madura, Jeffry; Bissonnette, Carey; Pearson (2017). Química geral: princípios e aplicações modernas . Toronto: Pearson. ISBN 978-0-13-293128-1.
• Vogel, Arthur Israel; Furniss, B. S; Tatchell, Austin Robert (1978). Livro didático de química orgânica prática de Vogel . Nova York: Longman. ISBN 978-0-582-44250-4.

Referências