Hogyan számítsuk ki a kémiai reakció határértékét

Egy kémiai reakcióban a limitáló reagens (RL) az a reaktáns, amely a legkisebb sztöchiometrikus arányban van . Ez azt jelenti, hogy annak a reagensnek felel meg, amely a reakció előrehaladtával először kifogy. Ha ez megtörténik, a reakció nem tud tovább folytatódni, így az elfogyasztható egyéb reagensek mennyisége korlátozott, valamint a képződő termékek mennyisége, innen ered a neve is.

Miért fontos a korlátozó reagens meghatározása?

Tekintettel arra, hogy a korlátozó reagens az, amely befejezve meghatározza a reakcióban hatékonyan részt vevő összes többi anyag mennyiségét, a sztöchiometrikus számítások szempontjából ez a legfontosabb. Valójában minden sztöchiometrikus számítást kizárólag a korlátozó reagens vagy más, az alapján számított mennyiség alapján kell elvégezni, mivel ha ezt bármely más reagenssel (amelyeket feleslegben lévő reaktánsoknak nevezünk), akkor ez a túlzott számítási hiba.

Példaként tekintsünk egy torta receptjét, amely a következőket igényli:

• 1 csésze tej
• 2 csésze liszt
• 1 csésze cukor, és
• 4 tojás.

Tegyük fel, hogy a hűtőben van

• 5 csésze tej
• 8 csésze liszt
• 2 csésze cukor, és
• 20 tojás.

Hány tortát készíthetünk ezekkel a hozzávalókkal?

Ez a fajta probléma nagyon hasonlít egy olyan kémiai reakcióhoz, amelyre van receptünk (a kiegyensúlyozott vagy kiegyensúlyozott kémiai egyenlet alapján), változó mennyiségű összetevőnk (amelyből a reaktánsok) és egy vagy több termékünk lehet.

Ha külön elemezzük, hogy az egyes hozzávalókból hány süteményt készíthetünk, különböző lehetséges tortamennyiségeket kapunk:

• Mivel minden süteményhez csak 1 csésze tej szükséges, 5 csésze tejjel 5 süteményt készíthetünk.
• A 8 csésze liszt 4 sütemény elkészítéséhez elegendő.
• Minden süteményben 2 csésze cukor van, így 2 csészével csak 2 tortát készíthetünk.
• 20 tojásból 5 tortát készíthetünk, hiszen mindegyikhez 4 tojás kell.

Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben legfeljebb 2 süteményt tudunk elkészíteni, mivel nincs elég cukorunk 4, nemhogy 5 sütemény elkészítéséhez. Vagyis a második sütemény elkészítése után elfogy a cukor, így nem tudunk több süteményt készíteni, még akkor sem, ha a többi hozzávalóból bőven meglesz.

Ebben az esetben a cukor jelenti a „korlátozó összetevőt” süteményüzemünkben. A korlátozó reagens fogalma, valamint azonosításának módja pontosan ugyanaz. Ezzel együtt nézzük meg, hogyan számítják ki vagy határozzák meg a korlátozó reagenst egy kémiai reakcióban.

Mikor kell meghatározni, hogy melyik a korlátozó reagens, és mikor nem?

Mielőtt megtanulnánk, hogyan határozzuk meg, mi a korlátozó reagens, tudnunk kell, hogy milyen helyzetekben szükséges ezt megtenni. Elvileg minden sztöchiometrikus számítást a korlátozó reagenssel kezdve kell elvégezni. Bizonyos helyzetekben azonban nem szükséges meghatározni vagy azért, mert már előre ismert, hogy mi az, vagy mert a rendelkezésre álló információk alapján nincs más megoldás, mint feltételezni, hogy mi a korlátozó reaktáns.

A szabályok arra vonatkozóan, hogy meg kell-e határoznunk a korlátozó reagenst a sztöchiometrikus számítások megkezdése előtt, a következők:

• Ha csak egy reagens van, akkor nincs korlátozó reagens fogalma, így annak meghatározása nem szükséges.
• Ha egy reagenst egy másik feleslegének jelenlétében reagáltatunk (mert például egy probléma kijelentése kifejezetten ezt jelzi), akkor az első lesz a korlátozó reagens, és nem szükséges meghatározni.
• Abban az esetben, ha azt szeretnénk kiszámítani, hogy egy adott mennyiségű reagensből mennyi termék nyerhető, függetlenül attól, hogy más reagensek is részt vesznek-e a reakcióban, úgy végezzük el a számításokat, hogy feltételezzük, hogy az első reagens a korlátozó reagens, és elegünk van az összes többi érintett reagensből.
• Másrészt, ha egy kémiai reakcióban két vagy több reagens vesz részt, és ezekből kettő vagy több van rögzített vagy korlátozott mennyiségben, mindig meg kell határoznunk, hogy melyik a korlátozó reagens, mielőtt a többi számítást elvégeznénk .

A kémiai reakció korlátozó reagensének meghatározására szolgáló módszerek

A korlátozó reagens egy olyan fogalom, amely sok alapvető kémia diákot megijeszt, de nem kell, hogy így legyen. A korlátozó reagenssel kapcsolatos problémák könnyen felismerhetők, és mindegyik ugyanúgy megoldható. Csupán arról van szó, hogy találjunk egy gyors és egyszerű módot a korlátozó reagens meghatározására, majd ezt használjuk fel az összes szükséges sztöchiometrikus számításban.

Az alábbiakban három különböző módszer található a korlátozó reagens meghatározására. Egyesek intuitívabbak, és hasonlóak a torta példájához. Mások kevésbé intuitívak, de praktikusabbak és könnyebben használhatók, különösen összetett reakciókban, amelyekben sok reagens vesz részt. Az ötlet az, hogy ennek a cikknek a végére megtanulja, hogyan kell meghatározni a korlátozó reagenst minden helyzetben, és hogy a három módszer egyikét választotta a mindennapi használatra az összes sztöchiometrikus számításhoz, amelyet el kell végeznie. a jövő.

A három módszer magyarázata ugyanazon a problémán alapul, amelyet az alábbiakban ismertetünk, és amely három reagenst foglal magában, amelyekből bizonyos vagy korlátozott mennyiségben rendelkezünk.

Korlátozó reaktáns számítási probléma

Tekintettel a kálium-foszfát képződésének reakciójára:

Határozza meg ennek a vegyületnek a mennyiségét, amely akkor képződhet, ha 19,55 g kálium, 3,10 g foszfor és 32,0 g oxigén gáz reagál. Adatok: az érintett elemek relatív atomtömege: K:39,1; P:31,0 és 0:16,0.

1. módszer: A módszer mennyi van? – mennyi kell?

Mivel mindhárom reagensből korlátozott mennyiségben rendelkezünk, meg kell határoznunk, hogy melyik a korlátozó reagens, mielőtt sztöchiometrikus számításokat végzünk a kálium-foszfát mennyiségének meghatározásához. Az első módszer, amelyet megvizsgálunk, az, hogy meghatározzuk, hogy az egyes reagensekből mennyire van szükség a többi reagens teljes elfogyasztásához, majd összehasonlítjuk ezt az eredményt a tényleges reagens mennyiségével.

Ha a számítás során kiderül, hogy több van, mint amennyire szükségünk van, akkor ez lesz a felesleges reagens. Másrészt, ha kevesebb van, mint amennyire szükségünk van ahhoz, hogy reagáljunk a többi reagenssel, akkor ez lesz a korlátozó reagens, mivel ez nem elég.

MEGJEGYZÉS: Megjegyzendő, hogy ez a módszer csak két reagens összehasonlítását teszi lehetővé egy időben a köztük lévő korlátozó tényező meghatározásához. A jelen példához hasonló esetekben, amelyek kettőnél több reagenst tartalmaznak, az összehasonlítást egymás után kell végrehajtani, amíg meg nem határozzuk, melyik a globális korlátozó reagens. Azt is meg kell jegyezni, hogy a számításokat tömegben vagy mólban is el lehet végezni. Ebben az esetben tömegben, a következő két módszerben pedig mólokban történik a számítás.

A módszer mennyi van nekem? – mennyi kell? A következő lépésekből áll:

1. lépés: Határozza meg az összes érintett reaktáns moláris tömegét

Jelen esetben a moláris tömegek:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

2. lépés: Határozza meg az összes reaktáns tömegét, ha nem áll rendelkezésre.

Ebben az esetben már ismerjük az összes reaktáns tömegét. Ezek:

                mK = _{19,55 g}

                m _P = 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

3. lépés: Válasszon ki kettőt az érintett reagensek közül

Ebben az esetben a káliummal (K) és a foszforral (P) kezdjük, de a reaktánsok kiválasztásának sorrendje nem fontos.

4. lépés: Számítsa ki az első mennyiségét, amely reagálna a második adott mennyiségére.

Ezen a ponton végezzük el az első sztöchiometrikus számítást. Ezek az egyes reagensekből szükséges feltételezett mennyiségek számításai a másik teljes elfogyasztásához. Vagyis mindenekelőtt azt határozzuk meg, hogy mennyi káliumra lenne szükségünk a 3,10 g foszfor teljes elfogyasztásához. Ezt a számítást egy egyszerű sztöchiometrikus összefüggés segítségével végezzük:

Ez az eredmény azt jelenti, hogy 11,73 g káliumra van szükségünk a 3,10 g foszfor teljes elfogyasztásához.

5. lépés: Számítsa ki a második mennyiségét, amely reagálna az első adott mennyiségére.

Ez a lépés az előző lépés ellentéte. Ez azt jelenti, hogy kiszámoljuk azt a foszformennyiséget, amelyre szükségünk lenne az összes kálium teljes elfogyasztásához.

Ez az eredmény azt jelenti, hogy 5,17 g foszforra van szükségünk a 19,55 g kálium teljes elfogyasztásához.

6. lépés: Töltse ki a Have/Need táblázatot, és válassza ki a korlátozó és felesleges reagenst

Ez a táblázat tartalmazza az általunk összehasonlított két reagenst, az egyes reagensek tényleges mennyiségét, valamint a szükséges mennyiségeket, amelyeket a 4. és 5. lépésben határoztunk meg. Ezenkívül egyesek hozzáadnak egy oszlopot, amely a rendelkezésünkre álló és a mieink közötti különbséget jelzi. szükség, mivel ennek a különbségnek a jele segítségével gyorsan meg lehet határozni, hogy mi az RL, bár a hibák elkerülése érdekében célszerű logikusan meghatározni.

Amint látjuk, a kálium esetében több van, mint amennyi a foszfor teljes elfogyasztásához szükséges, ezért a kálium felesleges reagens. Ez automatikusan azt jelenti, hogy e két reagens között a foszfor a korlátozó reagens. Ez a foszforra vonatkozó eredmények elemzésével is levonható. Az összes kálium elfogyasztásához 5,17 g foszforra lenne szükségünk, de csak 3,10 g-unk van. Ez azt jelenti, hogy a rendelkezésünkre álló foszfor nem elegendő az összes kálium elfogyasztásához, így először az fogy el, vagyis ez a határérték a kettő között.

Egy másik egyszerű módja annak, hogy szinte gondolkodás nélkül meghatározzuk a korlátozó reagenst, ha kiválasztjuk azt, amelyiknek a T – N különbsége negatív.

Ezen a ponton a foszfort részleges korlátozó reagensnek nevezzük, mivel még nem tudjuk, hogy az lesz-e a korlátozó reagens, ha összehasonlítjuk az oxigénnel. Erről szól a következő lépés.

7. lépés: Ismételje meg a 4., 5. és 6. lépést az előző korlátozó reagenssel és egy másik reagenssel.

Mivel megállapítottuk, hogy a foszfor az RL közte és a kálium között, most össze kell hasonlítanunk a reakcióban részt vevő többi reagenssel. Ebben az esetben ez azt jelenti, hogy összehasonlítjuk az oxigénnel. Ehhez megismételjük a 4., 5. és 6. lépést, de P és O ₂ használatával .

Mivel nem maradt több olyan reagens, amelyet ne hasonlítottunk volna össze, arra a következtetésre jutottunk, hogy a teljes korlátozó reagens (vagy egyszerűen a korlátozó reagens) a foszfor .

2. módszer: Termék kiszámítása

Ez a módszer ugyanazon az elven alapul, mint a korábban látott torta példa. Ez egyszerűen abból áll, hogy meghatározzuk, hogy az egyes reaktánsok adott mennyiségéből mennyi azonos termék nyerhető. Végül a korlátozó reagens az, amelyik a legkevesebb terméket termeli. A sztöchiometrikus számításokat tömegben vagy mólban lehet elvégezni. Az egyetlen dolog, ami változik, az a móltömegek használata a számításoknál használt sztöchiometrikus arányokban. Mivel az előző módszert tömegekkel végeztük, ezt a módszert mólokkal fogjuk megvalósítani, de nem szabad elfelejteni, hogy tömegekre is alkalmazható.

A lépések a következők:

1. lépés: Határozza meg a reaktánsok összes moláris tömegét.

Ez ugyanaz az első lépés, mint az előző módszer, ezért itt nem ismételjük meg.

2. lépés: Határozza meg az összes reaktáns mólját, ha nem elérhető.

Ez a számítás abból áll, hogy a tömegeket elosztjuk a megfelelő moláris tömegekkel:

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

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

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

3. lépés: Számítsa ki ugyanannak a terméknek az egyes reagensekkel előállítható móljait.

A közvetlenül a kiegyensúlyozott kémiai egyenletből kapott mólban kifejezett sztöchiometrikus arányok felhasználásával kiszámítjuk, hogy az egyes reagensekből hány hipotetikus mólhoz jutnánk, ha azok teljesen elfogynának:

4. lépés: A korlátozó reagens az lesz, amelyik a legkevesebb terméket termel.

Az általunk végzett számításokat az alábbi táblázatban foglalhatjuk össze:

Ahogy az várható volt, a korlátozó reagens ismét foszfor volt.

3. módszer: A sztöchiometrikus arányok módszere

Ez a módszer abból áll, hogy meghatározzuk azt a sztöchiometrikus arányt, amelyben az egyes reagensek megtalálhatók a beállított kémiai egyenlethez viszonyítva. Ekkor definíció szerint a korlátozó reagens az, amelyik a legkisebb arányú. Ezt az arányt úgy határozzuk meg, hogy az egyes reagensek mólszámát elosztjuk sztöchiometrikus együtthatójukkal.

Az összes közül ez a legkönnyebben használható módszer, mivel nagyon gyorsan és különösebb gondolkodás nélkül elvégezhető. Az első két lépés megegyezik az előző módszerrel, és csak a sztöchiometrikus arány számítását kell hozzáadni:

Ismét kiderül, hogy a korlátozó reagens a foszfor.

Utolsó megjegyzések

A limitáló reagens meghatározásának itt bemutatott lépéseit olyan vizes oldatokban végbemenő reakciók esetében kell adaptálni, amelyekben tömegek vagy mólok helyett koncentrációkat és oldat térfogatokat használnak. Ugyanez mondható el arról az esetről, amikor valaki gázokkal dolgozik, és van egy gáz nyomása vagy térfogata. Mindenesetre az egyetlen dolog, ami változna, a mólszám vagy tömeg kiszámításának folyamata lenne, de minden más változatlan maradna.

Hivatkozások

Bolívar, G. (2019, június 8.). Korlátozás és túlzott reagens: kiszámítása és példák . életfogytiglani büntetés. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Kémia (11. ^kiadás ). MCGRAW HILL OKTATÁS.

Korlátozó reagens példák . (nd). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

A reakciók hozamai. (2020. október 30.). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822