化学反応の制限反応物を計算する方法

化学反応では、制限反応物 (RL) は、 最小の化学量論的比率にある反応物です。これが何を意味するかというと、反応が進むにつれて最初になくなる反応物に対応するということです。これが起こると、反応を続けることができないため、消費できる他の反応物の量と、形成できる生成物の量が制限されるため、その名前が付けられました。

制限反応物を決定することが重要なのはなぜですか?

制限試薬は、終了時に、反応に効果的に参加できる他のすべての物質の量を決定するものであるという事実を考慮すると、化学量論計算の観点から最も重要です。実際、すべての化学量論的計算は、制限反応物、またはそれに基づいて計算されたその他の量のみに基づいて実行する必要があります。余分な計算エラー。

例として、以下を必要とするケーキのレシピを考えてみましょう。

• 牛乳1カップ
• 小麦粉2カップ
• 1カップの砂糖と
• 卵4個。

今、冷蔵庫にあるとします

• 牛乳 5カップ
• 小麦粉 8カップ
• 2カップの砂糖と
• 卵20個。

これらの材料で何個のケーキを作ることができますか?

このタイプの問題は、化学反応のレシピ (平衡または平衡化学方程式によって与えられる) があり、さまざまな量の成分 (反応物になる) と 1 つまたは複数の生成物を持つことができる化学反応の問題と非常によく似ています。

持っている各材料を使って何個のケーキを作ることができるかを個別に分析すると、さまざまな可能な量のケーキが得られます。

• それぞれのケーキには 1 カップの牛乳しか必要ないので、5 カップの牛乳で 5 つのケーキを作ることができます。
• 8 カップの小麦粉は、4 つのケーキを準備するのに十分です。
• 各ケーキには 2 カップの砂糖が含まれているため、2 カップで 2 つのケーキしか作れません。
• 20 個の卵で 5 つのケーキを作ることができます。それぞれのケーキには卵が 4 個必要です。

この場合に準備できるケーキの最大数は 2 であることは明らかです。これは、5 つのケーキはおろか、4 つのケーキを準備するのに十分な砂糖がないためです。つまり、2 番目のケーキの準備が完了すると、砂糖が不足するため、他の材料が十分にある場合でも、次のケーキを準備することができなくなります。

この場合、砂糖は私たちのケーキ工場の「限定成分」を表しています。制限試薬の概念とその識別方法はまったく同じです。そうは言っても、化学反応で制限反応物がどのように計算または決定されるかを見てみましょう。

制限反応物を決定する必要があるのはいつで、そうでないのはいつですか?

制限反応物が何であるかを決定する方法を学ぶ前に、どのような状況でそうする必要があるかを知る必要があります. 原則として、すべての化学量論的計算は、制限試薬から始めて実行する必要があります。ただし、状況によっては、それが何であるかが事前にわかっているため、または利用可能な情報では制限反応物が何であるかを推測する以外に解決策がないため、それを決定する必要はありません。

化学量論計算を開始する前に制限反応物を決定する必要があるかどうかのルールは次のとおりです。

• 反応物が 1 つしかない場合は、制限反応物の概念がないため、それを決定する必要はありません。
• 別の反応物が過剰に存在する状態である反応物を反応させる場合 (たとえば、問題のステートメントが明示的にそう示しているため)、最初の反応物が制限反応物となり、それを決定する必要はありません。
• 他の反応物が反応に関与しているかどうかに関係なく、特定の量の単一の反応物からどれだけの生成物が得られるかを計算したい場合、最初の反応物が制限反応物であり、関連する他のすべての試薬は十分にあります。
• 一方、化学反応に 2 つ以上の反応物が含まれており、2 つ以上の量が固定または制限されている場合は、他の計算を実行する前に、どれが制限反応物であるかを常に判断する必要があります。

化学反応の制限試薬を決定する方法

制限反応物は、多くの基礎化学の学生を怖がらせる概念ですが、必ずしもそうである必要はありません。制限試薬に関連する問題は認識しやすく、すべて同じ方法で解決できます。それは、制限反応物が何であるかを決定するための迅速かつ簡単な方法を見つけ、それを実行する必要があるすべての化学量論的計算で使用することです.

以下は、制限反応物を決定する 3 つの異なる方法です。いくつかはより直感的で、ケーキの例に似ています。他のものは直感的ではありませんが、特に多くの反応物が関与する複雑な反応において、より実用的で使いやすいものです。この記事の終わりまでに、あらゆる状況で制限反応物を決定する方法を学び、実行する必要があるすべての化学量論計算で日常的に使用する 3 つの方法のいずれかを選択したことを意味します。未来。

3 つの方法の説明は、以下に述べるのと同じ問題に基づいており、一定量または限られた量しかない 3 つの試薬が関係しています。

反応物計算問題の制限

リン酸カリウムの形成反応を考えると：

19.55g のカリウム、3.10g のリン、32.0g の酸素ガスが反応した場合に生成されるこの化合物の量を決定します。データ: 関連する元素の相対原子質量は次のとおりです: K:39.1; P:31.0 と 0:16.0。

方法 1: どのくらい私が持っている方法? – いくら必要ですか?

3 つの反応物すべての量が限られているため、リン酸カリウムの量を得るために化学量論計算を実行する前に、どれが制限反応物であるかを判断する必要があります。最初に検討する方法は、他の反応物を完全に消費するために必要な各反応物の量を決定し、この結果を実際の反応物の量と比較することです。

計算を実行するときに、必要以上の試薬があることが判明した場合、それが過剰試薬になります。一方、他の反応物と反応するのに必要な量よりも少ない場合は、十分ではないため、それが制限反応物になります.

注:この方法では、一度に 2 つの試薬を比較して、それらの間の制限要因を決定することしかできないことに注意してください。２つ以上の試薬を含む本実施例のような場合、比較は、どちらが全体的な制限試薬であるかを決定するまで連続的に実行されなければならない。計算は、質量またはモルの観点から実行できることにも注意してください。この場合、それは質量で実行され、次の2つの方法では計算はモルで実行されます。

方法 私はいくら持っていますか？- いくら必要ですか? 次の手順で構成されます。

ステップ 1: 関連するすべての反応物のモル質量を決定する

この場合、モル質量は次のとおりです。

                MMK ₌ 39.1 g/モル

                MM _P =31.0 g/モル

                MM _O2 = 2×16.0 g/mol = 32.0 g/mol

ステップ 2: 利用できない場合は、すべての反応物の質量を決定します。

この場合、すべての反応物の質量はすでにわかっています。これらは：

                mK = _19.55g

                m _P = 3.10g

                mO2 = _32.0g

ステップ 3: 関連する試薬を 2 つ選択する

この場合、カリウム (K) とリン (P) から始めますが、反応物を選択する順序は重要ではありません。

ステップ 4: 与えられた 2 番目の量と反応する 1 番目の量を計算します。

この時点で、最初の化学量論計算を実行します。これらは、他の試薬を完全に消費するために必要な各試薬の仮想量の計算です。つまり、まず、3.10 g のリンを完全に消費するために必要なカリウムの量を決定します。この計算は、単純な化学量論関係を使用して実行されます。

この結果は、私たちが持っている 3.10 g のリンを完全に消費するには、11.73 g のカリウムが必要であることを意味します。

ステップ 5: 最初の与えられた量と反応する 2 番目の量を計算します。

このステップは、前のステップの逆です。つまり、私たちが持っているすべてのカリウムを完全に消費するために必要なリンの量を計算します.

この結果は、私たちが持っている 19.55 g のカリウムを完全に消費するには、5.17 g のリンが必要であることを意味します。

ステップ 6: Have/Need テーブルに入力し、制限試薬と過剰試薬を選択します

この表には、比較している 2 つの反応物、それぞれの実際の量、およびステップ 4 と 5 で決定した必要な量が含まれています。エラーを回避するために論理的に決定することが望ましいですが、この差の符号を使用してRLが何であるかを迅速に決定できるためです。

ご覧のとおり、カリウムの場合、リンを完全に消費するのに必要以上のものがあるため、カリウムは過剰な反応物です. これは、これら 2 つの試薬の間で、リンが制限試薬であることを自動的に意味します。これは、リンの結果を分析することによっても推測できます。カリウムをすべて消費するには 5.17 g のリンが必要ですが、リンは 3.10 g しかありません。これは、私たちが持っているリンがすべてのカリウムを消費するのに十分ではないことを意味します.

ほとんど考えずに制限試薬を決定するもう 1 つの簡単な方法は、差 T – N が負の試薬を選択することです。

この時点で、リンを酸素と比較すると、リンが制限反応物であるかどうかがまだわからないため、リンを部分制限反応物と呼びます。それが次のステップです。

ステップ 7: 前の制限試薬と別の試薬を使用して、ステップ 4、5、および 6 を繰り返します。

リンがリンとカリウムの間の RL であると判断したので、反応に関与する他のすべての反応物とリンを比較する必要があります。この場合、これには酸素との比較が含まれます。これを行うには、手順 4、5、6 を繰り返しますが、P と O ₂を使用します。

比較していない試薬が残っていないため、全体的な制限試薬 (または単に制限試薬) はリンであると結論付けます。

方法 2: 製品の計算

この方法は、前に見たパイの例と同じ原理に基づいています。それは、単純に、与えられた量の各反応物から得られる同じ生成物の量を決定することにあります。最終的に、制限反応物は、その生成物の最小量を生成するものです。化学量論的計算は、質量またはモルで実行できます。唯一の変更点は、計算で使用される化学量論比でのモル質量の使用です。前の方法は質量を使用して実行されたため、モルを使用してこの方法を実装しますが、質量にも適用できることに注意してください。

手順は次のとおりです。

ステップ 1: 反応物のすべてのモル質量を決定します。

これは前の方法と同じ最初のステップなので、ここでは繰り返しません。

ステップ 2: 利用できない場合は、すべての反応物のモルを決定します。

この計算は、質量をそれぞれのモル質量で割ることで構成されます。

                nK ₌ 19.55g / 39.1g/モル = 0.500モル

                nP ₌ 3.10g / 31.0g/モル = 0.100モル

                nO2 = 32.0g / 32.0g/モル = 1.00_モル

ステップ 3: 各反応物で生成できる同じ生成物のモル数を計算します。

バランスの取れた化学式から直接得られるモル単位の化学量論比を使用して、各反応物が完全に消費された場合に得られる仮想モルを計算します。

ステップ 4: 制限反応物は、生成物の量が最も少ないものになります。

行った計算を次の表にまとめることができます。

予想通り、制限試薬は再びリンであることが判明しました。

方法 3: 化学量論的比率の方法

この方法は、調整された化学式に関連して各反応物が見出される化学量論的割合を決定することからなる。次に、定義により、制限反応物は最小の比率を持つものです。この比率は、各反応物のモル数をその化学量論係数で割ることによって決定されます。

何よりも、これは非常に簡単に使用できる方法であり、あまり考えずにすばやく実行できます。最初の 2 つの手順は前の方法と同じで、あとは化学量論比の計算を追加するだけです。

ここでも、制限試薬はリンであることがわかります。

最終コメント

ここで提示された制限試薬の決定のための手順は、質量またはモルの代わりに溶液の濃度と体積が使用される水溶液中の反応の場合に適合させる必要があります。ある人が気体を操作し、ある人が気体の圧力または体積を持っている場合についても同じことが言えます。いずれにせよ、変更されるのはモルまたは質量の計算プロセスだけですが、他のすべては同じままです。

参考文献

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