Hur man beräknar den begränsande reaktanten för en kemisk reaktion

I en kemisk reaktion är den begränsande reaktanten (RL) den reaktant som är i den minsta stökiometriska proportionen . Vad detta betyder är att det motsvarar reaktanten som tar slut först när reaktionen fortskrider. När detta händer kan reaktionen inte fortsätta, så mängden andra reaktanter som kan konsumeras är begränsad, liksom mängden produkter som kan bildas, därav dess namn.

Varför är det viktigt att bestämma den begränsande reaktanten?

Med tanke på att det begränsande reagenset är det som när det är färdigt bestämmer mängderna av alla andra ämnen som effektivt kan delta i reaktionen, är det då det viktigaste ur stökiometriska beräkningssynpunkt. Faktum är att alla stökiometriska beräkningar måste utföras enbart baserat på den begränsande reaktanten, eller någon annan kvantitet som har beräknats utifrån den, eftersom att göra det med någon av de andra reaktanterna (som kallas reaktanter i överskott), kommer att leda till ett överskott av räknefel.

Som ett exempel, låt oss överväga ett recept på en tårta som kräver:

• 1 kopp mjölk
• 2 dl mjöl
• 1 kopp socker, och
• 4 ägg.

Anta nu att i kylskåpet vi har

• 5 koppar mjölk
• 8 koppar mjöl
• 2 koppar socker, och
• 20 ägg.

Hur många kakor kan vi göra med dessa ingredienser?

Denna typ av problem påminner mycket om en kemisk reaktion för vilken vi har ett recept (givet av den balanserade eller balanserade kemiska ekvationen), vi kan ha varierande mängder ingredienser (som blir reaktanter) och en eller flera produkter.

Om vi ​​analyserar separat hur många kakor vi kan förbereda med var och en av ingredienserna vi har, kommer vi att få olika möjliga mängder kakor:

• Eftersom varje kaka bara kräver 1 kopp mjölk kan vi göra 5 kakor med 5 koppar mjölk.
• De 8 kopparna mjöl räcker för att förbereda 4 kakor.
• Varje kaka har 2 koppar socker, så med 2 koppar kan vi bara göra 2 kakor.
• Med 20 ägg kunde vi göra 5 kakor, eftersom var och en kräver 4 ägg.

Det är uppenbart att det maximala antalet kakor som vi kan förbereda i det här fallet är 2, eftersom vi inte har tillräckligt med socker för att förbereda 4, än mindre 5 kakor. Det vill säga, när vi är klara med att förbereda den andra kakan kommer vi att få slut på socker, så vi kommer inte att kunna fortsätta förbereda fler kakor, även om vi har gott om de andra ingredienserna.

I det här fallet är socker den ”begränsande ingrediensen” i vår kakfabrik. Konceptet med det begränsande reagenset, liksom sättet att identifiera det, är exakt detsamma. Med det sagt, låt oss se hur den begränsande reaktanten beräknas eller bestäms i en kemisk reaktion.

När ska vi bestämma vilken som är den begränsande reaktanten och när inte?

Innan vi lär oss hur man avgör vad den begränsande reaktanten är, måste vi veta i vilka situationer det är nödvändigt att göra det. I princip måste alla stökiometriska beräkningar utföras med utgångspunkt från det begränsande reagenset. Men i vissa situationer är det inte nödvändigt att bestämma det antingen för att det redan är känt i förväg vad det är, eller för att det med tillgänglig information inte finns någon annan lösning än att anta vad den begränsande reaktanten är.

Reglerna för huruvida vi ska bestämma den begränsande reaktanten innan vi börjar de stökiometriska beräkningarna är:

• Om det bara finns en reaktant, finns det inget koncept för en begränsande reaktant, så det är inte nödvändigt att bestämma den.
• Om vi ​​reagerar en reaktant i närvaro av ett överskott av en annan (eftersom uttalandet av ett problem uttryckligen indikerar det, till exempel), kommer den första att vara den begränsande reaktanten och det är inte nödvändigt att bestämma det.
• I händelse av att vi vill beräkna hur mycket produkt som kan erhållas från en given mängd av en enstaka reaktant, oavsett om andra reaktanter är inblandade i reaktionen, utför vi beräkningarna med antagande att den första reaktanten är den begränsande reaktanten och att vi har nog av alla andra inblandade reagenser.
• Å andra sidan, om en kemisk reaktion involverar två eller flera reaktanter och vi har fasta eller begränsade mängder av två eller flera av dem, måste vi alltid bestämma vilken som är den begränsande reaktanten innan vi utför de andra beräkningarna .

Metoder för att bestämma det begränsande reagenset för en kemisk reaktion

Den begränsande reaktanten är ett koncept som skrämmer många grundläggande kemistudenter, men det behöver det inte vara. Problem som involverar det begränsande reagenset är lätta att känna igen och kan alla lösas på samma sätt. Det handlar bara om att hitta ett snabbt och enkelt sätt att avgöra vad den begränsande reaktanten är, och sedan använda den i alla stökiometriska beräkningar vi behöver utföra.

Nedan finns tre olika sätt att bestämma den begränsande reaktanten. Vissa är mer intuitiva och liknar tårtexemplet. Andra är mindre intuitiva, men är mer praktiska och lättare att använda, särskilt i komplexa reaktioner som involverar många reaktanter. Tanken är att du i slutet av den här artikeln kommer att ha lärt dig hur du bestämmer den begränsande reaktanten i alla situationer, och att du har valt en av de tre metoderna för dagligt bruk i alla de stökiometriska beräkningar du behöver utföra i framtiden.

Förklaringen av de tre metoderna bygger på samma problem som anges nedan och som handlar om tre reagenser av vilka vi har vissa eller begränsade mängder.

Begränsande reaktantberäkningsproblem

Med tanke på reaktionen för bildning av kaliumfosfat:

Bestäm mängden av denna förening som skulle kunna bildas om 19,55 g kalium, 3,10 g fosfor och 32,0 g syrgas reageras. Data: de relativa atommassorna för de inblandade elementen är: K:39,1; P:31,0 och 0:16,0.

Metod 1: Metoden hur mycket har jag? – hur mycket behöver jag?

Eftersom vi har begränsade mängder av alla tre reaktanterna måste vi bestämma vilken som är den begränsande reaktanten innan vi utför stökiometriska beräkningar för att få fram mängden kaliumfosfat. Den första metoden vi ska titta på är att bestämma hur mycket av varje reaktant som behövs för att fullt ut konsumera de andra reaktanterna, och sedan jämföra detta resultat med hur mycket av reaktanten vi faktiskt har.

Om det när vi utför beräkningen visar sig att vi har mer än vad vi behöver, kommer det att vara överskottet av reagens. Å andra sidan, om vi har mindre än vad vi behöver för att reagera med de andra reaktanterna, så kommer det att vara den begränsande reaktanten eftersom det inte räcker.

OBS: Det bör noteras att denna metod endast låter dig jämföra två reagenser åt gången för att bestämma den begränsande faktorn mellan dem. I fall som det föreliggande exemplet, som involverar mer än två reagens, måste jämförelsen utföras i följd tills det bestäms vilket som är det globala begränsande reagenset. Det bör också noteras att beräkningarna kan utföras i termer av massor eller mol. I det här fallet kommer det att utföras i massa, och i de följande två metoderna kommer beräkningarna att utföras i mol.

Metoden hur mycket har jag? – hur mycket behöver jag? Den består av följande steg:

Steg 1: Bestäm molmassorna för alla inblandade reaktanter

I det aktuella fallet är molmassorna:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Steg 2: Bestäm massorna av alla reaktanter, om de inte är tillgängliga.

I det här fallet känner vi redan till massorna av alla reaktanter. Dessa är:

                mK = _{19,55 g}

                mP ₌ 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Steg 3: Välj två av de inblandade reagenserna

I det här fallet börjar vi med kalium (K) och fosfor (P), men i vilken ordning reaktanterna väljs är inte viktig.

Steg 4: Beräkna mängden av den första som skulle reagera med den givna mängden av den andra.

Vid denna tidpunkt kommer vi att utföra den första stökiometriska beräkningen. Dessa är beräkningar av de hypotetiska mängder som skulle behövas av varje reagens för att fullt ut konsumera den andra. Det vill säga, vi kommer först och främst att bestämma hur mycket kalium vi skulle behöva för att helt konsumera de 3,10 g fosfor vi har. Denna beräkning utförs med hjälp av ett enkelt stökiometriskt förhållande:

Detta resultat betyder att vi behöver 11,73 g kalium för att helt förbruka de 3,10 g fosfor vi har.

Steg 5: Beräkna mängden av den andra som skulle reagera med den givna mängden av den första.

Detta steg är motsatsen till föregående steg. Det vill säga, vi kommer att beräkna mängden fosfor som vi skulle behöva för att helt förbruka allt kalium som vi har.

Detta resultat betyder att vi behöver 5,17 g fosfor för att helt förbruka de 19,55 g kalium som vi har.

Steg 6: Fyll i en Have/Behöver-tabell och välj begränsnings- och överskottsreagens

Den här tabellen innehåller de två reaktanterna vi jämför, de faktiska mängderna av var och en som vi har och de mängder som behövs som vi precis bestämde i steg 4 och 5. Dessutom lägger vissa personer till en kolumn med skillnaden mellan vad vi har och vad vi har behöver, eftersom tecknet på denna skillnad kan användas för att snabbt bestämma vad RL är, även om det är att föredra att bestämma det logiskt för att undvika fel.

Som vi kan se, när det gäller kalium har vi mer än vad vi behöver för att helt förbruka fosfor, vilket är anledningen till att kalium är en överskottsreaktant. Detta innebär automatiskt att fosfor mellan dessa två reagens är det begränsande reagenset. Detta kan också utläsas genom att analysera resultaten för fosfor. För att konsumera allt kalium skulle vi behöva 5,17 g fosfor, men vi har bara 3,10 g. Det betyder att den fosfor vi har inte räcker till för att förbruka allt kalium, så det tar slut först, dvs det är den begränsande reaktanten mellan de två.

Ett annat enkelt sätt att bestämma det begränsande reagenset nästan utan att tänka är genom att välja den vars skillnad T – N är negativ.

Vid denna tidpunkt kallar vi fosfor för den partiellt begränsande reaktanten eftersom vi ännu inte vet om det fortfarande kommer att vara den begränsande reaktanten när vi jämför det med syre. Det är vad nästa steg handlar om.

Steg 7: Upprepa steg 4, 5 och 6 med föregående begränsningsreagens och ett annat reagens.

Eftersom vi bestämde att fosfor är RL mellan det och kalium, måste vi nu jämföra det med alla andra reaktanter som är involverade i reaktionen. I det här fallet handlar det om att jämföra det med syre. För att göra detta upprepar vi steg 4, 5 och 6 men använder P och O ₂ .

Eftersom det inte finns fler reagens kvar som vi inte har jämfört, drar vi slutsatsen att det övergripande begränsande reagenset (eller, helt enkelt, det begränsande reagenset) är fosfor .

Metod 2: Beräkning av en produkt

Denna metod bygger på samma princip som pajexemplet vi såg tidigare. Det består helt enkelt av att bestämma mängden av samma produkt som kan erhållas från den givna mängden av varje reaktant. I slutändan är den begränsande reaktanten den som producerar minst mängd av den produkten. Stökiometriska beräkningar kan utföras i massor eller i mol. Det enda som förändras är användningen av molära massor i de stökiometriska förhållanden som används i beräkningarna. Eftersom den tidigare metoden utfördes med massor, kommer vi att implementera denna metod med hjälp av mol, men man bör komma ihåg att den också kan tillämpas på massor.

Stegen är följande:

Steg 1: Bestäm alla molära massor av reaktanterna.

Detta är samma första steg som den tidigare metoden så vi kommer inte att upprepa det här.

Steg 2: Bestäm molvärdet för alla reaktanter, om de inte är tillgängliga.

Denna beräkning består av att dividera massorna med respektive molära massor:

                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

Steg 3: Beräkna antalet mol av samma produkt som kan produceras med varje reaktant.

Med hjälp av de stökiometriska förhållandena i mol, som erhålls direkt från den balanserade kemiska ekvationen, beräknar vi de hypotetiska mol som vi skulle kunna få från varje reaktant om den var helt förbrukad:

Steg 4: Den begränsande reaktanten kommer att vara den som producerar minst mängd produkt.

Vi kan sammanfatta de beräkningar vi har gjort i följande tabell:

Som väntat visade sig det begränsande reagenset återigen vara fosfor.

Metod 3: Metod för stökiometriska proportioner

Denna metod består i att bestämma den stökiometriska proportionen i vilken varje reaktant finns i förhållande till den justerade kemiska ekvationen. Då är per definition den begränsande reaktanten den med minst andel. Detta förhållande bestäms genom att dividera antalet mol av varje reaktant med dess stökiometriska koefficient.

Av allt är detta den enklaste metoden att använda, eftersom det kan göras mycket snabbt och utan mycket eftertanke. De två första stegen är desamma som i föregående metod, och allt som återstår är att lägga till beräkningen av det stökiometriska förhållandet:

Återigen visar det sig att det begränsande reagenset är fosfor.

Slutkommentarer

Stegen för bestämning av det begränsande reagenset som presenteras här måste anpassas vid reaktioner i vattenlösningar där koncentrationer och volymer av lösning används istället för massor eller mol. Detsamma kan sägas om fallet där man arbetar med gaser och man har trycket eller volymen av en gas. I vilket fall som helst skulle det enda som skulle förändras vara processen att beräkna mol eller massa, men allt annat skulle förbli detsamma.

Referenser

Bolívar, G. (2019, 8 juni). Begränsande och överskottsreaktant: hur det beräknas och exempel . livsvarare. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Chemistry (11: ^{e upplagan} ). MCGRAW HILL UTBILDNING.

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

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