Jak obliczyć ograniczający reagent reakcji chemicznej

W reakcji chemicznej reagentem ograniczającym (RL) jest reagent, który jest w najmniejszej proporcji stechiometrycznej . Oznacza to, że odpowiada reagentowi, który wyczerpuje się jako pierwszy w miarę postępu reakcji. Kiedy tak się dzieje, reakcja nie może być kontynuowana, więc ilość innych reagentów, które można zużyć, jest ograniczona, podobnie jak ilość produktów, które można utworzyć, stąd jego nazwa.

Dlaczego ważne jest określenie reagenta ograniczającego?

Z uwagi na to, że odczynnik ograniczający jest tym, który po zakończeniu określa ilości wszystkich pozostałych substancji, które mogą efektywnie uczestniczyć w reakcji, jest on wówczas najważniejszy z punktu widzenia obliczeń stechiometrycznych. W rzeczywistości wszystkie obliczenia stechiometryczne muszą być przeprowadzane wyłącznie na podstawie ograniczającego reagenta lub innej ilości, która została obliczona na jego podstawie, ponieważ wykonanie tego z dowolnymi innymi reagentami (zwanymi reagentami w nadmiarze) doprowadzi do nadmierny błąd obliczeniowy.

Jako przykład rozważmy przepis na ciasto, które wymaga:

• 1 szklanka mleka
• 2 szklanki mąki
• 1 szklanka cukru i
• 4 jajka.

Załóżmy teraz, że mamy w lodówce

• 5 szklanek mleka
• 8 szklanek mąki
• 2 szklanki cukru i
• 20 jaj.

Ile ciast możemy upiec z tych składników?

Ten rodzaj problemu jest bardzo podobny do problemu reakcji chemicznej, dla której mamy przepis (dany przez zrównoważone lub zrównoważone równanie chemiczne), możemy mieć różne ilości składników (które stają się reagentami) oraz jeden lub więcej produktów.

Jeśli osobno przeanalizujemy, ile ciast jesteśmy w stanie przygotować z każdego z posiadanych składników, otrzymamy różne możliwe ilości ciast:

• Ponieważ każde ciasto wymaga tylko 1 szklanki mleka, z 5 szklanek mleka moglibyśmy zrobić 5 ciast.
• 8 szklanek mąki wystarczy na przygotowanie 4 ciast.
• Każde ciasto ma 2 szklanki cukru, więc z 2 filiżanek możemy zrobić tylko 2 ciasta.
• Z 20 jajek moglibyśmy zrobić 5 ciast, ponieważ każde wymaga 4 jajek.

Oczywiste jest, że maksymalna liczba ciast, które możemy przygotować w tym przypadku, to 2, ponieważ nie mamy wystarczającej ilości cukru, aby przygotować 4, nie mówiąc już o 5 ciastach. Oznacza to, że gdy skończymy przygotowywać drugie ciasto, zabraknie nam cukru, więc nie będziemy mogli dalej przygotowywać kolejnych ciast, nawet jeśli mamy mnóstwo innych składników.

W tym przypadku cukier jest „składnikiem ograniczającym” w naszej cukierni. Koncepcja odczynnika ograniczającego, jak również sposób jego identyfikacji, jest dokładnie taka sama. Powiedziawszy to, zobaczmy, jak oblicza się lub określa reagent ograniczający w reakcji chemicznej.

Kiedy powinniśmy określić, który reagent jest ograniczeniem, a kiedy nie?

Zanim nauczymy się określać, jaki jest reagent ograniczający, musimy wiedzieć, w jakich sytuacjach jest to konieczne. W zasadzie wszystkie obliczenia stechiometryczne należy przeprowadzać zaczynając od odczynnika ograniczającego. Jednak w niektórych sytuacjach nie jest konieczne jego określanie, ponieważ albo już z góry wiadomo, co to jest, albo dlatego, że przy dostępnych informacjach nie ma innego rozwiązania niż założenie, jaki jest reagent ograniczający.

Zasady określające, czy powinniśmy określić reagent ograniczający przed rozpoczęciem obliczeń stechiometrycznych, są następujące:

• Jeśli jest tylko jeden reagent, nie ma pojęcia reagenta ograniczającego, więc jego określenie nie jest konieczne.
• Jeśli zareagujemy reagentem w obecności nadmiaru innego (ponieważ na przykład postawienie problemu wyraźnie na to wskazuje), to pierwszy reagent będzie reagentem ograniczającym i nie trzeba go określać.
• W przypadku, gdy chcemy obliczyć, ile produktu można otrzymać z danej ilości pojedynczego reagenta, niezależnie od tego, czy w reakcji biorą udział inne reagenty, obliczenia przeprowadzamy przy założeniu, że pierwszy reagent jest reagentem ograniczającym i że mamy dość wszystkich innych zaangażowanych odczynników.
• Z drugiej strony, jeśli reakcja chemiczna obejmuje dwa lub więcej reagentów i mamy ustalone lub ograniczone ilości dwóch lub więcej z nich, przed wykonaniem innych obliczeń zawsze musimy określić, który z nich jest reagentem ograniczającym .

Metody wyznaczania reagenta ograniczającego reakcję chemiczną

Reagent ograniczający to koncepcja, która przeraża wielu studentów chemii podstawowej, ale tak nie musi być. Problemy związane z odczynnikiem ograniczającym są łatwe do rozpoznania i wszystkie można rozwiązać w ten sam sposób. Chodzi tylko o znalezienie szybkiego i łatwego sposobu określenia, jaki jest reagent ograniczający, a następnie wykorzystanie go we wszystkich obliczeniach stechiometrycznych, które musimy przeprowadzić.

Poniżej znajdują się trzy różne sposoby określania reagenta ograniczającego. Niektóre są bardziej intuicyjne i przypominają przykład z ciastem. Inne są mniej intuicyjne, ale bardziej praktyczne i łatwiejsze w użyciu, zwłaszcza w złożonych reakcjach z udziałem wielu reagentów. Chodzi o to, że do końca tego artykułu nauczysz się określać reagent ograniczający w każdej sytuacji i że wybrałeś jedną z trzech metod do codziennego użytku we wszystkich obliczeniach stechiometrycznych, które będziesz musiał wykonać w przyszłość.

Wyjaśnienie tych trzech metod opiera się na tym samym problemie, który przedstawiono poniżej i dotyczy trzech odczynników, których mamy pewne lub ograniczone ilości.

Ograniczenie problemu obliczeniowego reagentów

Biorąc pod uwagę reakcję tworzenia fosforanu potasu:

Określ ilość tego związku, która mogłaby powstać, gdyby przereagowało 19,55 g potasu, 3,10 g fosforu i 32,0 g gazowego tlenu. Dane: względne masy atomowe pierwiastków to: K:39,1; P:31,0 i 0:16,0.

Metoda 1: Metoda ile mam? – ile potrzebuję?

Ponieważ mamy ograniczone ilości wszystkich trzech reagentów, przed wykonaniem obliczeń stechiometrycznych w celu uzyskania ilości fosforanu potasu musimy określić, który z reagentów jest reagentem ograniczającym. Pierwszą metodą, której się przyjrzymy, jest określenie, ile każdego reagenta jest potrzebne do pełnego zużycia pozostałych reagentów, a następnie porównanie tego wyniku z tym, ile faktycznie mamy reagenta.

Jeśli podczas wykonywania obliczeń okaże się, że mamy więcej niż potrzebujemy, to będzie to nadmiar odczynnika. Z drugiej strony, jeśli mamy mniej niż potrzebujemy, aby zareagować z innymi reagentami, to będzie to reagent ograniczający, ponieważ nie wystarczy.

UWAGA: Należy zauważyć, że ta metoda umożliwia jednoczesne porównanie tylko dwóch odczynników w celu określenia czynnika ograniczającego między nimi. W przypadkach takich jak niniejszy przykład, które obejmują więcej niż dwa odczynniki, porównanie należy przeprowadzić kolejno, aż do określenia, który z odczynników jest globalnym ograniczeniem. Należy również zauważyć, że obliczenia można przeprowadzić w kategoriach mas lub moli. W tym przypadku zostanie to przeprowadzone w masie, aw kolejnych dwóch metodach obliczenia zostaną przeprowadzone w molach.

Metoda ile mam? – ile potrzebuję? Składa się z następujących kroków:

Krok 1: Określ masy molowe wszystkich zaangażowanych reagentów

W tym przypadku masy molowe to:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Krok 2: Określ masy wszystkich reagentów, jeśli nie są dostępne.

W tym przypadku znamy już masy wszystkich reagentów. To są:

                m K = _{19,55 g}

                m _P = 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Krok 3: Wybierz dwa z zaangażowanych odczynników

W tym przypadku zaczniemy od potasu (K) i fosforu (P), ale kolejność doboru reagentów nie ma znaczenia.

Krok 4: Oblicz ilość pierwszej, która zareaguje z daną ilością drugiej.

W tym momencie przeprowadzimy pierwsze obliczenia stechiometryczne. Są to obliczenia hipotetycznych ilości, jakie byłyby potrzebne każdego odczynnika, aby w pełni zużyć drugi. Oznacza to, że przede wszystkim ustalimy, ile potasu potrzebowalibyśmy, aby całkowicie zużyć 3,10 g fosforu, który mamy. To obliczenie przeprowadza się za pomocą prostej zależności stechiometrycznej:

Wynik ten oznacza, że ​​potrzebujemy 11,73 g potasu, aby całkowicie zużyć 3,10 g fosforu, które posiadamy.

Krok 5: Oblicz ilość sekundy, która zareaguje z daną ilością pierwszej.

Ten krok jest przeciwieństwem poprzedniego kroku. Oznacza to, że obliczymy ilość fosforu, której potrzebowalibyśmy, aby całkowicie zużyć cały potas, który mamy.

Wynik ten oznacza, że ​​potrzebujemy 5,17 g fosforu, aby w całości spożyć 19,55 g potasu, które posiadamy.

Krok 6: Wypełnij tabelę Mieć/Potrzebować i wybrać odczynnik ograniczający i nadmiarowy

Ta tabela zawiera dwa porównywane reagenty, rzeczywiste ilości każdego z nich, które mamy, oraz potrzebne ilości, które właśnie ustaliliśmy w krokach 4 i 5. Ponadto niektórzy dodają kolumnę z różnicą między tym, co mamy, a tym, co mamy potrzeby, ponieważ znak tej różnicy może być użyty do szybkiego określenia, czym jest RL, chociaż lepiej jest określić to logicznie, aby uniknąć błędów.

Jak widać, w przypadku potasu mamy go więcej niż potrzebujemy do całkowitego spożycia fosforu, dlatego potas jest reagentem nadmiarowym. To automatycznie implikuje, że pomiędzy tymi dwoma odczynnikami fosfor jest odczynnikiem ograniczającym. Można to również wywnioskować, analizując wyniki dla fosforu. Aby spożyć cały potas, potrzebowalibyśmy 5,17 g fosforu, a mamy tylko 3,10 g. Oznacza to, że fosforu, który mamy, nie wystarczy do skonsumowania całego potasu, więc wyczerpuje się on pierwszy, tj. jest reagentem ograniczającym między tymi dwoma.

Innym łatwym sposobem określenia odczynnika ograniczającego prawie bez zastanowienia jest wybranie tego, którego różnica T – N jest ujemna.

W tym momencie nazywamy fosfor częściowym reagentem ograniczającym, ponieważ nie wiemy jeszcze, czy nadal będzie reagentem ograniczającym, gdy porównamy go z tlenem. O tym jest następny krok.

Krok 7: Powtórz kroki 4, 5 i 6 z poprzednim odczynnikiem ograniczającym i innym odczynnikiem.

Ponieważ ustaliliśmy, że fosfor jest RL między nim a potasem, musimy teraz porównać go ze wszystkimi innymi reagentami biorącymi udział w reakcji. W tym przypadku wymaga to porównania go z tlenem. Aby to zrobić, powtarzamy kroki 4, 5 i 6, ale używając P i O ₂ .

Ponieważ nie ma już odczynników, których nie porównaliśmy, dochodzimy do wniosku, że ogólnym odczynnikiem ograniczającym (lub po prostu odczynnikiem ograniczającym) jest fosfor .

Metoda 2: Obliczanie produktu

Ta metoda opiera się na tej samej zasadzie, co przykład koła, który widzieliśmy wcześniej. Polega ona po prostu na określeniu ilości tego samego produktu, który można otrzymać z danej ilości każdego reagenta. Ostatecznie reagentem ograniczającym jest ten, który wytwarza najmniejszą ilość tego produktu. Obliczenia stechiometryczne można przeprowadzać w masach lub w molach. Jedyne, co się zmienia, to użycie mas molowych w stosunkach stechiometrycznych, które są używane w obliczeniach. Ponieważ poprzednia metoda została przeprowadzona przy użyciu mas, tę metodę zaimplementujemy przy użyciu moli, ale należy pamiętać, że można ją również zastosować do mas.

Kroki są następujące:

Krok 1: Określ wszystkie masy molowe reagentów.

Jest to ten sam pierwszy krok, co poprzednia metoda, więc nie będziemy go tutaj powtarzać.

Krok 2: Określ liczbę moli wszystkich reagentów, jeśli nie są dostępne.

To obliczenie polega na podzieleniu mas przez odpowiednie masy molowe:

                n K ₌ 19,55 g / 39,1 g/mol = 0,500 mola

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

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

Krok 3: Oblicz, ile moli tego samego produktu można wytworzyć z każdym reagentem.

Używając stosunków stechiometrycznych w molach, które otrzymujemy bezpośrednio ze zbilansowanego równania chemicznego, obliczamy hipotetyczne mole, które moglibyśmy otrzymać z każdego reagenta, gdyby został całkowicie zużyty:

Krok 4: Reagentem ograniczającym będzie ten, który wytwarza najmniejszą ilość produktu.

Możemy podsumować obliczenia, które wykonaliśmy w poniższej tabeli:

Zgodnie z oczekiwaniami odczynnikiem ograniczającym ponownie okazał się fosfor.

Metoda 3: Metoda proporcji stechiometrycznych

Metoda ta polega na określeniu proporcji stechiometrycznej, w jakiej znajduje się każdy reagent w stosunku do skorygowanego równania chemicznego. Wtedy, z definicji, reagentem ograniczającym jest ten, który ma najmniejszą proporcję. Ten stosunek jest określany przez podzielenie liczby moli każdego reagenta przez jego współczynnik stechiometryczny.

Ze wszystkich jest to najłatwiejsza metoda, ponieważ można to zrobić bardzo szybko i bez większego zastanowienia. Pierwsze dwa kroki są takie same jak w poprzedniej metodzie, a pozostaje tylko dodać obliczenie stosunku stechiometrycznego:

Po raz kolejny odczynnikiem ograniczającym okazuje się fosfor.

Uwagi końcowe

Przedstawione tu etapy oznaczania reagenta ograniczającego należy dostosować w przypadku reakcji w roztworach wodnych, w których zamiast mas lub moli stosuje się stężenia i objętości roztworu. To samo można powiedzieć o przypadku, w którym pracuje się z gazami i ma się ciśnienie lub objętość gazu. W każdym razie jedyną rzeczą, która by się zmieniła, byłby proces obliczania moli lub masy, ale wszystko inne pozostałoby takie samo.

Bibliografia

Bolívar, G. (2019, 8 czerwca). Ograniczanie i nadmiar reagenta: sposób obliczania i przykłady . skazany na dożywocie. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Chemia ( ^wyd . 11 ). EDUKACJA MCGRAW HILL.

Przykłady odczynników ograniczających . (nd). Quimicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Wydajności reakcji. (2020, 30 października). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822