Как да изчислим ограничаващия реагент на химическа реакция

В химическа реакция ограничаващият реагент (RL) е реагентът, който е в най-малката стехиометрична пропорция . Това означава, че съответства на реагента, който изтича пръв, докато реакцията напредва. Когато това се случи, реакцията не може да продължи, така че количеството други реагенти, които могат да бъдат консумирани, е ограничено, както и количеството продукти, които могат да се образуват, откъдето идва и името му.

Защо е важно да се определи ограничаващият реагент?

С оглед на факта, че ограничаващият реагент е този, който определя, когато приключи, количествата на всички други вещества, които могат ефективно да участват в реакцията, тогава той е най-важен от гледна точка на стехиометричните изчисления. Всъщност всички стехиометрични изчисления трябва да се извършват единствено въз основа на ограничаващия реагент или някакво друго количество, което е изчислено въз основа на него, тъй като извършването му с който и да е от другите реагенти (които се наричат ​​реагенти в излишък), ще доведе до излишна грешка в изчислението.

Като пример, нека разгледаме рецепта за торта, която изисква:

• 1 чаша мляко
• 2 чаши брашно
• 1 чаша захар и
• 4 яйца.

Сега да предположим, че в хладилника имаме

• 5 чаши мляко
• 8 чаши брашно
• 2 чаши захар и
• 20 яйца.

Колко торти можем да направим с тези съставки?

Този тип проблем е много подобен на този на химическа реакция, за която имаме рецепта (дадена от балансираното или балансирано химично уравнение), можем да имаме променливи количества съставки (които стават реагенти) и един или повече продукти.

Ако анализираме отделно колко торти можем да приготвим с всяка от съставките, които имаме, ще получим различни възможни количества торти:

• Тъй като всяка торта изисква само 1 чаша мляко, с 5 чаши мляко можем да направим 5 торти.
• 8-те чаши брашно са достатъчни за приготвянето на 4 сладкиша.
• Всяка торта има 2 чаши захар, така че с 2 чаши можем да направим само 2 торти.
• С 20 яйца можем да направим 5 торти, тъй като за всяка са необходими 4 яйца.

Очевидно е, че максималният брой торти, които можем да приготвим в този случай е 2, тъй като нямаме достатъчно захар за приготвянето на 4, да не говорим за 5 торти. Тоест, след като приключим с приготвянето на втория блат, ще ни свърши захарта, така че няма да можем да продължим с приготвянето на още блатове, дори и да имаме много от останалите съставки.

В този случай захарта представлява „ограничаващата съставка“ в нашата фабрика за торти. Концепцията на ограничаващия реагент, както и начинът за идентифицирането му е абсолютно същият. С това казано, нека да видим как ограничаващият реагент се изчислява или определя в химическа реакция.

Кога трябва да определим кой е ограничаващият реагент и кога не?

Преди да научим как да определим какъв е ограничаващият реагент, трябва да знаем в кои ситуации е необходимо да го направим. По принцип всички стехиометрични изчисления трябва да се извършат, като се започне с ограничаващия реагент. Въпреки това, в някои ситуации не е необходимо да се определя или защото вече е известно какво представлява, или защото с наличната информация няма друго решение освен да се приеме какъв е ограничаващият реагент.

Правилата за това дали трябва или не да определим ограничаващия реагент, преди да започнем стехиометричните изчисления, са:

• Ако има само един реагент, няма концепция за ограничаващ реагент, така че определянето му не е необходимо.
• Ако реагираме с даден реагент в присъствието на излишък от друг (защото формулировката на задача изрично показва това, например), тогава първият ще бъде ограничаващият реагент и не е необходимо да го определяме.
• В случай, че искаме да изчислим колко продукт може да се получи от дадено количество от един реагент, независимо дали други реагенти участват в реакцията, ние извършваме изчисленията, като приемем, че първият е ограничаващият реагент и че ние има достатъчно от всички други включени реагенти.
• От друга страна, ако една химична реакция включва два или повече реагента и имаме фиксирани или ограничени количества от два или повече от тях, винаги трябва да определим кой е ограничаващият реагент, преди да извършим другите изчисления .

Методи за определяне на ограничаващия реагент на химична реакция

Ограничаващият реагент е концепция, която плаши много студенти по основна химия, но не е задължително да е така. Проблемите, свързани с ограничаващия реагент, са лесни за разпознаване и всички могат да бъдат решени по един и същи начин. Става дума само за намиране на бърз и лесен начин да определим какъв е ограничаващият реагент и след това да го използваме във всички стехиометрични изчисления, които трябва да извършим.

По-долу са дадени три различни начина за определяне на ограничаващия реагент. Някои са по-интуитивни и са подобни на примера с тортата. Други са по-малко интуитивни, но са по-практични и по-лесни за използване, особено при сложни реакции, включващи много реагенти. Идеята е, че до края на тази статия ще сте научили как да определяте ограничаващия реагент във всяка ситуация и че сте избрали един от трите метода за ежедневна употреба във всички стехиометрични изчисления, които ще трябва да извършите в бъдещето.

Обяснението на трите метода се основава на същия проблем, който е посочен по-долу и включва три реагента, от които имаме определени или ограничени количества.

Ограничаващ проблем с изчисляването на реагента

Като се има предвид реакцията за образуване на калиев фосфат:

Определете количеството на това съединение, което може да се образува, ако реагират 19,55 g калий, 3,10 g фосфор и 32,0 g кислород. Данни: относителните атомни маси на участващите елементи са: K:39.1; P:31.0 и 0:16.0.

Метод 1: Методът колко имам? – колко ми трябва?

Тъй като имаме ограничени количества и от трите реагента, трябва да определим кой е ограничаващият реагент, преди да извършим стехиометрични изчисления, за да получим количеството калиев фосфат. Първият метод, който ще разгледаме, е да определим колко от всеки реагент е необходим, за да изразходваме напълно другите реагенти, и след това да сравним този резултат с това какво количество от реагента всъщност имаме.

Ако при извършване на изчислението се окаже, че имаме повече от необходимото, тогава това ще бъде излишният реагент. От друга страна, ако имаме по-малко от необходимото, за да реагираме с другите реагенти, тогава това ще бъде ограничаващият реагент, тъй като не е достатъчен.

ЗАБЕЛЕЖКА: Трябва да се отбележи, че този метод ви позволява да сравнявате само два реагента наведнъж, за да определите ограничаващия фактор между тях. В случаи като настоящия пример, които включват повече от два реагента, сравнението трябва да се извърши последователно, докато се определи кой е глобалният ограничаващ реагент. Трябва също да се отбележи, че изчисленията могат да се извършват по отношение на маси или молове. В този случай ще се извърши в маса, а в следващите два метода изчисленията ще се извършат в молове.

Методът колко имам? – колко ми трябва? Състои се от следните стъпки:

Стъпка 1: Определете моларните маси на всички включени реагенти

В настоящия случай моларните маси са:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P =31.0 g/mol

                MM _O2 = 2×16,0 g/mol = 32,0 g/mol

Стъпка 2: Определете масите на всички реагенти, ако не са налични.

В този случай вече знаем масите на всички реагенти. Това са:

                mK = _19.55g

                m _P = 3.10 g

                mO2 = _32.0g

Стъпка 3: Изберете два от включените реагенти

В този случай ще започнем с калий (K) и фосфор (P), но редът, в който са избрани реагентите, не е важен.

Стъпка 4: Изчислете количеството на първото, което ще реагира с даденото количество на второто.

На този етап ще извършим първото стехиометрично изчисление. Това са изчисления на хипотетичните количества, които биха били необходими за всеки реагент, за да се изразходва напълно другият. Тоест, първо ще определим колко калий ще ни трябва, за да консумираме напълно тези 3,10 g фосфор, които имаме. Това изчисление се извършва чрез проста стехиометрична връзка:

Този резултат означава, че се нуждаем от 11,73 g калий, за да консумираме напълно 3,10 g фосфор, които имаме.

Стъпка 5: Изчислете количеството на втория, който ще реагира с даденото количество на първия.

Тази стъпка е противоположна на предишната. Тоест ще изчислим количеството фосфор, което ще ни е необходимо, за да консумираме напълно целия калий, който имаме.

Този резултат означава, че се нуждаем от 5,17 g фосфор, за да консумираме напълно 19,55 g калий, които имаме.

Стъпка 6: Попълнете таблицата Имате/Нуждаете се и изберете ограничаващия и излишния реагент

Тази таблица съдържа двата реагента, които сравняваме, действителните количества от всеки, които имаме, и необходимите количества, които току-що определихме в стъпки 4 и 5. Освен това някои хора добавят колона с разликата между това, което имаме и това, което имаме нужда, тъй като знакът на тази разлика може да се използва за бързо определяне на RL, въпреки че е за предпочитане да се определи логически, за да се избегнат грешки.

Както виждаме, в случая с калия имаме повече от необходимото, за да консумираме напълно фосфор, поради което калият е излишен реагент. Това автоматично означава, че между тези два реагента фосфорът е ограничаващият реагент. Това може да се заключи и чрез анализиране на резултатите за фосфора. За да консумираме целия калий, ще ни трябват 5,17 g фосфор, но имаме само 3,10 g. Това означава, че фосфорът, който имаме, не е достатъчен, за да изконсумира целия калий, така че той свършва първи, т.е. той е ограничаващият реагент между двете.

Друг лесен начин за определяне на ограничаващия реагент почти без да се замисля е като изберете този, чиято разлика T – N е отрицателна.

В този момент наричаме фосфора частично ограничаващ реагент, тъй като все още не знаем дали той все още ще бъде ограничаващият реагент, след като го сравним с кислорода. Това е следващата стъпка.

Стъпка 7: Повторете стъпки 4, 5 и 6 с предишния ограничаващ реагент и друг реагент.

Тъй като установихме, че фосфорът е RL между него и калия, сега трябва да го сравним с всички други реагенти, участващи в реакцията. В този случай това включва сравняването му с кислорода. За да направим това, повтаряме стъпки 4, 5 и 6, но използвайки P и O ₂ .

Тъй като не са останали повече реагенти, които да не сме сравнили, заключаваме, че общият ограничаващ реагент (или просто ограничаващият реагент) е фосфорът .

Метод 2: Изчисляване на продукт

Този метод се основава на същия принцип като примера с пай, който видяхме по-рано. Състои се просто в определяне на количеството от същия продукт, което може да се получи от дадено количество от всеки реагент. В крайна сметка ограничаващият реагент е този, който произвежда най-малко количество от този продукт. Стехиометричните изчисления могат да се извършват в маси или в молове. Единственото нещо, което се променя, е използването на моларни маси в стехиометричните съотношения, които се използват в изчисленията. Тъй като предишният метод беше извършен с помощта на маси, ние ще приложим този метод с помощта на молове, но трябва да се помни, че той може да се приложи и за маси.

Стъпките са следните:

Стъпка 1: Определете всички моларни маси на реагентите.

Това е същата първа стъпка като предишния метод, така че няма да я повтаряме тук.

Стъпка 2: Определете моловете на всички реагенти, ако не са налични.

Това изчисление се състои от разделяне на масите на съответните моларни маси:

                nK ₌ 19,55g / 39,1g/mol = 0,500 mol

                nP ₌ 3,10g / 31,0g/mol = 0,100 mol

                nO2 = 32,0g / 32,0g/mol = 1,00 _mol

Стъпка 3: Изчислете моловете от същия продукт, които могат да бъдат произведени с всеки реагент.

Използвайки стехиометричните съотношения в молове, които се получават директно от балансираното химическо уравнение, изчисляваме хипотетичните молове, които бихме могли да получим от всеки реагент, ако той беше напълно изразходван:

Стъпка 4: Ограничаващият реагент ще бъде този, който произвежда най-малко количество продукт.

Можем да обобщим изчисленията, които направихме в следната таблица:

Както се очакваше, ограничаващият реагент отново се оказа фосфор.

Метод 3: Метод на стехиометричните пропорции

Този метод се състои в определяне на стехиометричната пропорция, в която се намира всеки реагент по отношение на коригираното химично уравнение. Тогава, по дефиниция, ограничаващият реагент е този с най-малък дял. Това съотношение се определя чрез разделяне на броя молове на всеки реагент на неговия стехиометричен коефициент.

От всички това е най-лесният метод за използване, тъй като може да се направи много бързо и без много мислене. Първите две стъпки са същите като тези от предишния метод и всичко, което остава, е да добавите изчислението на стехиометричното съотношение:

Отново се оказва, че ограничаващият реагент е фосфорът.

Окончателни коментари

Стъпките за определяне на ограничаващия реагент, представени тук, трябва да бъдат адаптирани в случай на реакции във водни разтвори, в които се използват концентрации и обеми на разтвора вместо маси или молове. Същото може да се каже за случая, в който човек работи с газове и има налягане или обем на газ. Във всеки случай, единственото нещо, което ще се промени, ще бъде процесът на изчисляване на моловете или масата, но всичко останало ще остане същото.

Препратки

Боливар, Г. (2019 г., 8 юни). Ограничаване и излишък на реагент: как се изчислява и примери . доживотен затворник. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Чанг, Р. (2021). Химия (11-то ^{издание} ). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.

Ограничаващи примери за реагенти . (nd). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Добивите на реакциите. (2020 г., 30 октомври). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822