Hvordan beregne den begrensende reaktanten til en kjemisk reaksjon

I en kjemisk reaksjon er den begrensende reaktanten (RL) den reaktanten som er i den minste støkiometriske andelen . Hva dette betyr er at det tilsvarer reaktanten som renner ut først når reaksjonen skrider frem. Når dette skjer, kan ikke reaksjonen fortsette, så mengden av andre reaktanter som kan konsumeres er begrenset, så vel som mengden produkter som kan dannes, derav navnet.

Hvorfor er det viktig å bestemme den begrensende reaktanten?

I lys av det faktum at den begrensende reagensen er den som bestemmer, når den er ferdig, mengden av alle de andre stoffene som effektivt kan delta i reaksjonen, er den da den viktigste ut fra støkiometriske beregninger. Faktisk må alle støkiometriske beregninger utføres utelukkende basert på den begrensende reaktanten, eller en annen mengde som har blitt beregnet basert på den, siden å gjøre det med noen av de andre reaktantene (som kalles reaktanter i overkant), vil føre til en overskytende regnefeil.

Som et eksempel, la oss vurdere en oppskrift på en kake som krever:

• 1 kopp melk
• 2 kopper mel
• 1 kopp sukker, og
• 4 egg.

Anta nå at i kjøleskapet vi har

• 5 kopper melk
• 8 kopper mel
• 2 kopper sukker, og
• 20 egg.

Hvor mange kaker kan vi lage med disse ingrediensene?

Denne typen problemer ligner veldig på en kjemisk reaksjon som vi har en oppskrift på (gitt av den balanserte eller balanserte kjemiske ligningen), vi kan ha variable mengder ingredienser (som blir reaktantene), og ett eller flere produkter.

Hvis vi analyserer separat hvor mange kaker vi kan tilberede med hver av ingrediensene vi har, får vi forskjellige mulige mengder kaker:

• Siden hver kake bare krever 1 kopp melk, kan vi lage 5 kaker med 5 kopper melk.
• De 8 koppene mel er nok til å lage 4 kaker.
• Hver kake har 2 kopper sukker, så med 2 kopper kan vi bare lage 2 kaker.
• Med 20 egg kunne vi lage 5 kaker, siden hver enkelt krever 4 egg.

Det er tydelig at det maksimale antallet kaker vi kan tilberede i dette tilfellet er 2, siden vi ikke har nok sukker til å tilberede 4, enn si 5 kaker. Det vil si at etter at vi er ferdige med å tilberede den andre kaken, vil vi gå tom for sukker, så vi vil ikke kunne fortsette å tilberede flere kaker, selv om vi har nok av de andre ingrediensene.

I dette tilfellet representerer sukker den «begrensende ingrediensen» i vår kakefabrikk. Konseptet med det begrensende reagenset, så vel som måten å identifisere det på, er nøyaktig det samme. Med det sagt, la oss se hvordan den begrensende reaktanten beregnes eller bestemmes i en kjemisk reaksjon.

Når bør vi bestemme hvilken som er den begrensende reaktanten og når ikke?

Før vi lærer hvordan vi bestemmer hva den begrensende reaktanten er, må vi vite i hvilke situasjoner det er nødvendig å gjøre det. I prinsippet må alle støkiometriske beregninger utføres med utgangspunkt i det begrensende reagenset. Imidlertid er det i noen situasjoner ikke nødvendig å bestemme det enten fordi det allerede er kjent på forhånd hva det er, eller fordi det med den tilgjengelige informasjonen ikke er noen annen løsning enn å anta hva den begrensende reaktanten er.

Reglene for hvorvidt vi bør bestemme den begrensende reaktanten før vi starter de støkiometriske beregningene er:

• Hvis det bare er én reaktant, er det ikke noe konsept for en begrensende reaktant, så det er ikke nødvendig å bestemme det.
• Hvis vi reagerer på en reaktant i nærvær av et overskudd av en annen (fordi utsagnet av et problem eksplisitt indikerer det, for eksempel), vil den første være den begrensende reaktanten, og det er ikke nødvendig å bestemme det.
• I tilfelle vi ønsker å beregne hvor mye produkt som kan oppnås fra en gitt mengde av en enkelt reaktant, uavhengig av om andre reaktanter er involvert i reaksjonen, utfører vi beregningene forutsatt at den første reaktanten er den begrensende reaktanten og at vi har nok av alle de andre reagensene som er involvert.
• På den annen side, hvis en kjemisk reaksjon involverer to eller flere reaktanter og vi har faste eller begrensede mengder av to eller flere av dem, må vi alltid bestemme hvilken som er den begrensende reaktanten før vi utfører de andre beregningene .

Metoder for å bestemme den begrensende reagensen for en kjemisk reaksjon

Den begrensende reaktanten er et konsept som skremmer mange grunnleggende kjemistudenter, men det trenger ikke å være det. Problemer som involverer det begrensende reagenset er enkle å gjenkjenne og kan alle løses på samme måte. Det handler bare om å finne en rask og enkel måte å finne ut hva den begrensende reaktanten er, og deretter bruke den i alle de støkiometriske beregningene vi må utføre.

Nedenfor er tre forskjellige måter å bestemme den begrensende reaktanten på. Noen er mer intuitive og ligner på kakeeksemplet. Andre er mindre intuitive, men er mer praktiske og enklere å bruke, spesielt i komplekse reaksjoner som involverer mange reaktanter. Tanken er at du mot slutten av denne artikkelen vil ha lært hvordan du bestemmer den begrensende reaktanten i enhver situasjon, og at du har valgt en av de tre metodene for daglig bruk i alle de støkiometriske beregningene du må utføre i fremtiden.

Forklaringen av de tre metodene er basert på det samme problemet som er angitt nedenfor og som involverer tre reagenser som vi har visse eller begrensede mengder av.

Begrensende reaktantberegningsproblem

Gitt reaksjonen for dannelsen av kaliumfosfat:

Bestem mengden av denne forbindelsen som kan dannes hvis 19,55 g kalium, 3,10 g fosfor og 32,0 g oksygengass reageres. Data: de relative atommassene til de involverte elementene er: K:39,1; P:31,0 og 0:16,0.

Metode 1: Metoden hvor mye har jeg? – hvor mye trenger jeg?

Siden vi har begrensede mengder av alle tre reaktantene, må vi bestemme hvilken som er den begrensende reaktanten før vi utfører støkiometriske beregninger for å oppnå mengden kaliumfosfat. Den første metoden vi skal se på er å bestemme hvor mye av hver reaktant som trengs for å konsumere de andre reaktantene fullt ut, og deretter sammenligne dette resultatet med hvor mye av reaktanten vi faktisk har.

Hvis det når du utfører beregningen viser seg at vi har mer enn det vi trenger, vil det være overskuddsreagensen. På den annen side, hvis vi har mindre enn vi trenger for å reagere med de andre reaktantene, vil det være den begrensende reaktanten siden det ikke er nok.

MERK: Det skal bemerkes at denne metoden bare lar deg sammenligne to reagenser om gangen for å bestemme den begrensende faktoren mellom dem. I tilfeller som det foreliggende eksempel, som involverer mer enn to reagenser, må sammenligningen utføres fortløpende inntil det bestemmes hvilken som er den globale begrensende reagensen. Det skal også bemerkes at beregningene kan utføres i form av masser eller mol. I dette tilfellet vil det bli utført i masse, og i de neste to metodene vil beregningene bli utført i mol.

Metoden hvor mye har jeg? – hvor mye trenger jeg? Den består av følgende trinn:

Trinn 1: Bestem molarmassene til alle involverte reaktanter

I dette tilfellet er molarmassene:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P =31,0 g/mol

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

Trinn 2: Bestem massene til alle reaktanter, hvis de ikke er tilgjengelige.

I dette tilfellet kjenner vi allerede massene til alle reaktanter. Disse er:

                mK = _{19,55 g}

                m _P = 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Trinn 3: Velg to av de involverte reagensene

I dette tilfellet vil vi starte med kalium (K) og fosfor (P), men rekkefølgen reaktantene velges i er ikke viktig.

Trinn 4: Beregn mengden av den første som ville reagere med den gitte mengden av den andre.

På dette tidspunktet vil vi utføre den første støkiometriske beregningen. Dette er beregninger av de hypotetiske mengder som vil være nødvendig av hver reagens for å konsumere den andre fullt ut. Det vil si at vi først og fremst vil bestemme hvor mye kalium vi trenger for å fullstendig konsumere de 3,10 g fosfor vi har. Denne beregningen utføres ved hjelp av et enkelt støkiometrisk forhold:

Dette resultatet betyr at vi trenger 11,73 g kalium for å fullstendig konsumere de 3,10 g fosfor vi har.

Trinn 5: Beregn mengden av den andre som ville reagere med den gitte mengden av den første.

Dette trinnet er det motsatte av forrige trinn. Det vil si at vi vil beregne mengden fosfor vi trenger for å fullstendig konsumere alt kaliumet vi har.

Dette resultatet betyr at vi trenger 5,17 g fosfor for å fullstendig konsumere de 19,55 g kalium vi har.

Trinn 6: Fyll ut en Har/behov-tabell og velg den begrensende og overskytende reagensen

Denne tabellen inneholder de to reaktantene vi sammenligner, de faktiske mengdene av hver vi har, og de nødvendige mengdene som vi nettopp bestemte i trinn 4 og 5. I tillegg legger noen til en kolonne med forskjellen mellom det vi har og det vi har. trenger, siden tegnet på denne forskjellen kan brukes til raskt å bestemme hva RL er, selv om det er å foretrekke å bestemme det logisk for å unngå feil.

Som vi kan se, har vi i tilfelle av kalium mer enn vi trenger for å fullstendig konsumere fosfor, og det er grunnen til at kalium er en overflødig reaktant. Dette innebærer automatisk at mellom disse to reagensene er fosfor den begrensende reagensen. Dette kan også utledes ved å analysere resultatene for fosfor. For å konsumere alt kalium trenger vi 5,17 g fosfor, men vi har bare 3,10 g. Dette betyr at fosforet vi har ikke er nok til å konsumere alt kalium, så det renner ut først, dvs. det er den begrensende reaktanten mellom de to.

En annen enkel måte å bestemme begrensende reagens nesten uten å tenke på, er ved å velge den hvis forskjell T – N er negativ.

På dette tidspunktet kaller vi fosfor den delvis begrensende reaktanten siden vi ennå ikke vet om det fortsatt vil være den begrensende reaktanten når vi sammenligner den med oksygen. Det er det neste steg handler om.

Trinn 7: Gjenta trinn 4, 5 og 6 med den forrige begrensende reagensen og en annen reagens.

Siden vi bestemte at fosfor er RL mellom det og kalium, må vi nå sammenligne det med alle andre reaktanter som er involvert i reaksjonen. I dette tilfellet innebærer dette å sammenligne det med oksygen. For å gjøre dette gjentar vi trinn 4, 5 og 6, men bruker P og O ₂ .

Siden det ikke er flere reagenser igjen som vi ikke har sammenlignet, konkluderer vi med at det totale begrensende reagenset (eller rett og slett det begrensende reagenset) er fosfor .

Metode 2: Beregning av et produkt

Denne metoden er basert på samme prinsipp som paieksemplet vi så tidligere. Den består ganske enkelt i å bestemme mengden av det samme produktet som kan oppnås fra den gitte mengden av hver reaktant. Til slutt er den begrensende reaktanten den som produserer minst mengde av det produktet. Støkiometriske beregninger kan utføres i masser eller i mol. Det eneste som endrer seg er bruken av molare masser i de støkiometriske forholdstallene som er brukt i beregningene. Siden den forrige metoden ble utført ved bruk av masser, vil vi implementere denne metoden ved å bruke føflekker, men det bør huskes at den også kan brukes på masser.

Trinnene er følgende:

Trinn 1: Bestem alle molarmassene til reaktantene.

Dette er det samme første trinnet som den forrige metoden, så vi vil ikke gjenta det her.

Trinn 2: Bestem molene til alle reaktanter, hvis de ikke er tilgjengelige.

Denne beregningen består av å dele massene med de respektive molare massene:

                nK ₌ 19,55g / 39,1g/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

Trinn 3: Beregn molene av det samme produktet som kan produseres med hver reaktant.

Ved å bruke de støkiometriske forholdene i mol, som er hentet direkte fra den balanserte kjemiske ligningen, beregner vi de hypotetiske molene som vi kunne oppnå fra hver reaktant hvis den var fullstendig konsumert:

Trinn 4: Den begrensende reaktanten vil være den som produserer minst mengde produkt.

Vi kan oppsummere beregningene vi har gjort i følgende tabell:

Som forventet viste den begrensende reagensen seg å være fosfor igjen.

Metode 3: Metode for støkiometriske proporsjoner

Denne metoden består i å bestemme den støkiometriske andelen som hver reaktant finnes i i forhold til den justerte kjemiske ligningen. Da er per definisjon den begrensende reaktanten den med den minste andelen. Dette forholdet bestemmes ved å dele antall mol av hver reaktant med dens støkiometriske koeffisient.

Av alt er dette den enkleste metoden å bruke, siden den kan gjøres veldig raskt og uten mye omtanke. De to første trinnene er de samme som i forrige metode, og alt som gjenstår er å legge til beregningen av det støkiometriske forholdet:

Nok en gang viser det seg at det begrensende reagenset er fosfor.

Siste kommentarer

Trinnene for bestemmelse av det begrensende reagenset som presenteres her, må tilpasses ved reaksjoner i vandige løsninger der konsentrasjoner og volumer av løsning brukes i stedet for masser eller mol. Det samme kan sies om det tilfellet hvor man arbeider med gasser og man har trykket eller volumet til en gass. I alle fall ville det eneste som ville endre seg være prosessen med å beregne mol eller masse, men alt annet ville forbli det samme.

Referanser

Bolívar, G. (2019, 8. juni). Begrensende og overskytende reaktant: Hvordan det beregnes og eksempler . livsvarig. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Kjemi (11. ^utgave ). MCGRAW HILL UTDANNING.

Eksempler på begrensende reagenser . (nd). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Utbyttet av reaksjonene. (2020, 30. oktober). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822