Come calcolare il reagente limitante di una reazione chimica

In una reazione chimica, il reagente limitante (RL) è il reagente che si trova nella più piccola proporzione stechiometrica . Ciò significa che corrisponde al reagente che si esaurisce per primo man mano che la reazione procede. Quando ciò accade, la reazione non può continuare, quindi la quantità di altri reagenti che possono essere consumati è limitata, così come la quantità di prodotti che possono essere formati, da cui il nome.

Perché è importante determinare il reagente limitante?

In considerazione del fatto che il reagente limitante è quello che determina, una volta esaurito, le quantità di tutte le altre sostanze che possono effettivamente partecipare alla reazione, esso è allora il più importante dal punto di vista dei calcoli stechiometrici. Infatti, tutti i calcoli stechiometrici devono essere eseguiti basandosi esclusivamente sul reagente limite, o su qualche altra quantità che è stata calcolata sulla base di esso, poiché farlo con uno qualsiasi degli altri reagenti (che sono chiamati reagenti in eccesso), porterà a un errore di calcolo in eccesso.

A titolo di esempio, consideriamo una ricetta per una torta che richiede:

• 1 tazza di latte
• 2 tazze di farina
• 1 tazza di zucchero e
• 4 uova.

Supponiamo ora che nel frigorifero abbiamo

• 5 tazze di latte
• 8 tazze di farina
• 2 tazze di zucchero e
• 20 uova.

Quante torte possiamo fare con questi ingredienti?

Questo tipo di problema è molto simile a quello di una reazione chimica per la quale abbiamo una ricetta (data dall’equazione chimica bilanciata o bilanciata), possiamo avere quantità variabili di ingredienti (che diventano i reagenti), e uno o più prodotti.

Se analizziamo separatamente quante torte possiamo preparare con ognuno degli ingredienti che abbiamo, otterremo diverse possibili quantità di torte:

• Poiché ogni torta richiede solo 1 tazza di latte, con 5 tazze di latte potremmo fare 5 torte.
• Gli 8 bicchieri di farina sono sufficienti per preparare 4 torte.
• Ogni torta ha 2 tazze di zucchero, quindi con 2 tazze possiamo fare solo 2 torte.
• Con 20 uova potremmo fare 5 torte, dato che ognuna richiede 4 uova.

È evidente che il numero massimo di torte che possiamo preparare in questo caso è 2, dato che non abbiamo abbastanza zucchero per prepararne 4, figuriamoci 5 torte. Cioè, dopo aver finito di preparare la seconda torta, rimarremo senza zucchero, quindi non potremo continuare a preparare altre torte, anche se abbiamo molti altri ingredienti.

In questo caso lo zucchero rappresenta l’”ingrediente limitante” del nostro dolciario. Il concetto di reagente limitante, così come il modo di identificarlo, è esattamente lo stesso. Detto questo, vediamo come viene calcolato o determinato il reagente limitante in una reazione chimica.

Quando dovremmo determinare qual è il reagente limitante e quando no?

Prima di imparare a determinare qual è il reagente limitante, dobbiamo sapere in quali situazioni è necessario farlo. In linea di principio, tutti i calcoli stechiometrici devono essere eseguiti a partire dal reagente limitante. Tuttavia, in alcune situazioni non è necessario determinarlo o perché si sa già in anticipo di cosa si tratta, o perché, con le informazioni a disposizione, non c’è altra soluzione che ipotizzare quale sia il reagente limitante.

Le regole per decidere se determinare o meno il reagente limitante prima di iniziare i calcoli stechiometrici sono:

• Se c’è un solo reagente, non esiste il concetto di reagente limitante, quindi non è necessario determinarlo.
• Se reagiamo a un reagente in presenza di un eccesso di un altro (perché l’affermazione di un problema lo indica esplicitamente, per esempio), allora il primo sarà il reagente limitante e non è necessario determinarlo.
• Nel caso in cui si voglia calcolare quanto prodotto si può ottenere da una data quantità di un singolo reagente, indipendentemente dal fatto che altri reagenti siano coinvolti nella reazione, si effettuano i calcoli assumendo che il primo reagente sia il reagente limitante e che ne abbiamo abbastanza di tutti gli altri reagenti coinvolti.
• Se invece una reazione chimica coinvolge due o più reagenti e abbiamo quantità fisse o limitate di due o più di essi, dobbiamo sempre determinare qual è il reagente limitante prima di effettuare gli altri calcoli .

Metodi per determinare il reagente limitante di una reazione chimica

Il reagente limitante è un concetto che spaventa molti studenti di chimica di base, ma non deve esserlo. I problemi che coinvolgono il reagente limitante sono facili da riconoscere e possono essere risolti tutti allo stesso modo. Si tratta solo di trovare un modo rapido e semplice per determinare qual è il reagente limitante, e quindi usarlo in tutti i calcoli stechiometrici che dobbiamo eseguire.

Di seguito sono riportati tre diversi modi per determinare il reagente limitante. Alcuni sono più intuitivi e sono simili all’esempio della torta. Altri sono meno intuitivi, ma sono più pratici e facili da usare, specialmente nelle reazioni complesse che coinvolgono molti reagenti. L’idea è che, alla fine di questo articolo, avrai imparato come determinare il reagente limitante in qualsiasi situazione e che avrai scelto uno dei tre metodi per l’uso quotidiano in tutti i calcoli stechiometrici che dovrai eseguire in il futuro.

La spiegazione dei tre metodi si basa sullo stesso problema che si enuncia di seguito e che coinvolge tre reagenti di cui disponiamo di quantità certe o limitate.

Problema di calcolo dei reagenti limitanti

Data la reazione per la formazione del fosfato di potassio:

Determinare la quantità di questo composto che si potrebbe formare se si facessero reagire 19,55 g di potassio, 3,10 g di fosforo e 32,0 g di ossigeno gassoso. Dati: le masse atomiche relative degli elementi coinvolti sono: K:39.1; P:31.0 e 0:16.0.

Metodo 1: Il metodo quanto ho? – quanto mi serve?

Poiché abbiamo quantità limitate di tutti e tre i reagenti, dobbiamo determinare qual è il reagente limitante prima di eseguire calcoli stechiometrici per ottenere la quantità di fosfato di potassio. Il primo metodo che esamineremo è determinare la quantità di ciascun reagente necessaria per consumare completamente gli altri reagenti, quindi confrontare questo risultato con la quantità di reagente che abbiamo effettivamente.

Se durante l’esecuzione del calcolo risulta che abbiamo più di quanto ci serve, allora quello sarà il reagente in eccesso. D’altra parte, se abbiamo meno del necessario per reagire con gli altri reagenti, allora quello sarà il reagente limitante poiché non è sufficiente.

NOTA: Va notato che questo metodo consente solo di confrontare due reagenti alla volta per determinare il fattore limitante tra di loro. In casi come il presente esempio, che coinvolgono più di due reagenti, il confronto deve essere effettuato consecutivamente fino a determinare quale sia il reagente limitante globale. Va inoltre notato che i calcoli possono essere effettuati in termini di masse o moli. In questo caso si eseguirà in massa e nei due metodi successivi i calcoli verranno effettuati in moli.

Il metodo quanto ho? – quanto mi serve? Consiste nei seguenti passaggi:

Passaggio 1: determinare le masse molari di tutti i reagenti coinvolti

Nel caso in esame, le masse molari sono:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Passaggio 2: determinare le masse di tutti i reagenti, se non disponibili.

In questo caso, conosciamo già le masse di tutti i reagenti. Questi sono:

                mK = _{19,55 g}

                m _P = 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Passaggio 3: selezionare due dei reagenti coinvolti

In questo caso inizieremo con il potassio (K) e il fosforo (P), ma l’ordine in cui vengono scelti i reagenti non è importante.

Passaggio 4: calcola la quantità del primo che reagirebbe con la quantità data del secondo.

A questo punto effettueremo il primo calcolo stechiometrico. Questi sono i calcoli delle quantità ipotetiche che sarebbero necessarie di ciascun reagente per consumare completamente l’altro. Cioè, determineremo, prima di tutto, di quanto potassio avremmo bisogno per consumare completamente i 3,10 g di fosforo che abbiamo. Questo calcolo viene effettuato mediante una semplice relazione stechiometrica:

Questo risultato significa che abbiamo bisogno di 11,73 g di potassio per consumare completamente i 3,10 g di fosforo che abbiamo.

Passaggio 5: calcola la quantità del secondo che reagirebbe con la quantità data del primo.

Questo passaggio è l’opposto del passaggio precedente. Cioè, calcoleremo la quantità di fosforo di cui avremmo bisogno per consumare completamente tutto il potassio che abbiamo.

Questo risultato significa che abbiamo bisogno di 5,17 g di fosforo per consumare completamente i 19,55 g di potassio che abbiamo.

Passaggio 6: Compilare una tabella Avere/Necessità e scegliere il reagente limitante e in eccesso

Questa tabella contiene i due reagenti che stiamo confrontando, le quantità effettive di ciascuno che abbiamo e le quantità necessarie che abbiamo appena determinato nei passaggi 4 e 5. Inoltre, alcune persone aggiungono una colonna con la differenza tra ciò che abbiamo e ciò che necessario, poiché il segno di questa differenza può essere utilizzato per determinare rapidamente qual è il RL, anche se è preferibile determinarlo logicamente per evitare errori.

Come possiamo vedere, nel caso del potassio ne abbiamo più del necessario per consumare completamente il fosforo, motivo per cui il potassio è un reagente in eccesso. Ciò implica automaticamente che, tra questi due reagenti, il fosforo è il reagente limitante. Questo può essere dedotto anche analizzando i risultati per il fosforo. Per consumare tutto il potassio, avremmo bisogno di 5,17 g di fosforo, ma ne abbiamo solo 3,10 g. Ciò significa che il fosforo che abbiamo non è sufficiente per consumare tutto il potassio, quindi si esaurisce per primo, cioè è il reagente limitante tra i due.

Un altro modo semplice per determinare il reagente limitante quasi senza pensare è selezionare quello la cui differenza T – N è negativa.

A questo punto chiamiamo il fosforo il reagente limitante parziale poiché non sappiamo ancora se sarà ancora il reagente limitante una volta confrontato con l’ossigeno. Ecco di cosa tratta il passo successivo.

Passaggio 7: Ripetere i passaggi 4, 5 e 6 con il precedente reagente limitante e un altro reagente.

Poiché abbiamo determinato che il fosforo è il RL tra esso e il potassio, dobbiamo ora confrontarlo con tutti gli altri reagenti coinvolti nella reazione. In questo caso, ciò comporta il confronto con l’ossigeno. Per fare ciò, ripetiamo i passaggi 4, 5 e 6 ma utilizzando P e O ₂ .

Poiché non sono rimasti più reagenti che non abbiamo confrontato, concludiamo che il reagente limitante complessivo (o, semplicemente, il reagente limitante) è il fosforo .

Metodo 2: Calcolo di un prodotto

Questo metodo si basa sullo stesso principio dell’esempio della torta che abbiamo visto in precedenza. Consiste, semplicemente, nel determinare la quantità dello stesso prodotto che può essere ottenuta dalla quantità data di ciascun reagente. Alla fine, il reagente limitante è quello che produce la minor quantità di quel prodotto. I calcoli stechiometrici possono essere eseguiti in massa o in moli. L’unica cosa che cambia è l’uso delle masse molari nei rapporti stechiometrici utilizzati nei calcoli. Poiché il metodo precedente è stato eseguito utilizzando le masse, implementeremo questo metodo utilizzando le talpe, ma va ricordato che può essere applicato anche alle masse.

I passaggi sono i seguenti:

Passaggio 1: determinare tutte le masse molari dei reagenti.

Questo è lo stesso primo passaggio del metodo precedente, quindi non lo ripeteremo qui.

Passaggio 2: determinare le moli di tutti i reagenti, se non disponibili.

Questo calcolo consiste nel dividere le masse per le rispettive masse molari:

                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

Passaggio 3: Calcolare le moli dello stesso prodotto che possono essere prodotte con ciascun reagente.

Utilizzando i rapporti stechiometrici in moli, che si ricavano direttamente dall’equazione chimica bilanciata, calcoliamo le ipotetiche moli che potremmo ottenere da ogni reagente se fosse completamente consumato:

Passaggio 4: il reagente limitante sarà quello che produce la minor quantità di prodotto.

Possiamo riassumere i calcoli che abbiamo fatto nella seguente tabella:

Come previsto, il reagente limitante si è rivelato essere nuovamente il fosforo.

Metodo 3: Metodo delle proporzioni stechiometriche

Questo metodo consiste nel determinare la proporzione stechiometrica in cui si trova ciascun reagente rispetto all’equazione chimica regolata. Quindi, per definizione, il reagente limitante è quello con la proporzione minore. Questo rapporto è determinato dividendo il numero di moli di ciascun reagente per il suo coefficiente stechiometrico.

Di tutti, questo è il metodo più semplice da usare, in quanto può essere fatto molto rapidamente e senza pensarci troppo. I primi due passi sono gli stessi del metodo precedente, e non resta che aggiungere il calcolo del rapporto stechiometrico:

Ancora una volta, il reagente limitante risulta essere il fosforo.

Commenti finali

I passaggi per la determinazione del reagente limitante qui presentati devono essere adattati nel caso di reazioni in soluzioni acquose in cui si utilizzano concentrazioni e volumi di soluzione anziché masse o moli. Lo stesso si può dire del caso in cui si lavora con i gas e si ha la pressione o il volume di un gas. In ogni caso, l’unica cosa che cambierebbe sarebbe il processo di calcolo delle moli o della massa, ma tutto il resto rimarrebbe uguale.

Riferimenti

Bolívar, G. (2019, 8 giugno). Reagente limitante ed eccesso: come viene calcolato ed esempi . ergastolano. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Chimica (11a ^ed .). EDUCAZIONE DELLA COLLINA DI MCGRAW.

Esempi di reagenti limitanti . (nd). Quimicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

I rendimenti delle reazioni. (2020, 30 ottobre). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822