Cách tính lượng chất phản ứng giới hạn của một phản ứng hóa học

Trong một phản ứng hóa học, chất phản ứng giới hạn (RL) là chất phản ứng có tỷ lệ cân bằng hóa học nhỏ nhất . Điều này có nghĩa là nó tương ứng với chất phản ứng hết trước khi phản ứng diễn ra. Khi điều này xảy ra, phản ứng không thể tiếp tục, do đó, lượng chất phản ứng khác có thể được tiêu thụ cũng như lượng sản phẩm có thể được tạo thành bị hạn chế, do đó có tên gọi như vậy.

Tại sao điều quan trọng là xác định chất phản ứng giới hạn?

Do thuốc thử giới hạn là chất xác định, khi hoàn thành, lượng của tất cả các chất khác có thể tham gia hiệu quả vào phản ứng, nên nó là chất quan trọng nhất theo quan điểm tính toán cân bằng hóa học. Trên thực tế, tất cả các tính toán cân bằng hóa học phải được thực hiện chỉ dựa trên chất phản ứng giới hạn hoặc một số lượng khác đã được tính toán dựa trên nó, vì thực hiện nó với bất kỳ chất phản ứng nào khác (được gọi là chất phản ứng dư thừa), sẽ dẫn đến một lỗi tính toán vượt quá.

Ví dụ, hãy xem xét một công thức làm bánh yêu cầu:

• 1 ly sữa
• 2 cốc bột
• 1 chén đường, và
• 4 quả trứng.

Bây giờ giả sử rằng trong tủ lạnh chúng ta có

• 5 cốc sữa
• 8 chén bột mì
• 2 chén đường, và
• 20 quả trứng.

Chúng ta có thể làm được bao nhiêu chiếc bánh với những nguyên liệu này?

Loại vấn đề này rất giống với vấn đề về phản ứng hóa học mà chúng ta có công thức (được đưa ra bởi phương trình hóa học cân bằng hoặc cân bằng), chúng ta có thể có lượng thành phần thay đổi (trở thành chất phản ứng) và một hoặc nhiều sản phẩm.

Nếu chúng tôi phân tích riêng số lượng bánh chúng tôi có thể chuẩn bị với từng nguyên liệu chúng tôi có, chúng tôi sẽ thu được số lượng bánh khác nhau có thể có:

• Vì mỗi cái bánh chỉ cần 1 cốc sữa nên với 5 cốc sữa ta làm được 5 cái bánh.
• 8 chén bột là đủ để làm 4 cái bánh.
• Mỗi cái bánh có 2 cốc đường nên với 2 cốc này chúng ta chỉ làm được 2 bánh.
• Với 20 quả trứng, chúng ta có thể làm được 5 cái bánh, vì mỗi cái cần 4 quả trứng.

Rõ ràng là số lượng bánh tối đa mà chúng ta có thể chuẩn bị trong trường hợp này là 2, vì chúng ta không có đủ đường để chuẩn bị 4 chứ chưa nói đến 5 chiếc bánh. Tức là sau khi làm xong chiếc bánh thứ 2 thì chúng ta sẽ hết đường nên sẽ không thể làm tiếp những chiếc bánh khác dù có thừa nguyên liệu khác.

Trong trường hợp này, đường đại diện cho “thành phần hạn chế” trong nhà máy sản xuất bánh ngọt của chúng tôi. Khái niệm về thuốc thử giới hạn cũng như cách nhận biết nó hoàn toàn giống nhau. Như đã nói, chúng ta hãy xem cách tính hoặc xác định chất phản ứng giới hạn trong một phản ứng hóa học.

Khi nào chúng ta nên xác định đâu là chất phản ứng hạn chế và khi nào thì không?

Trước khi tìm hiểu cách xác định chất phản ứng giới hạn là gì, chúng ta phải biết cần phải làm như vậy trong những tình huống nào. Về nguyên tắc, tất cả các tính toán cân bằng hóa học phải được thực hiện bắt đầu với thuốc thử giới hạn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, không cần thiết phải xác định nó vì đã biết trước nó là gì hoặc vì với thông tin có sẵn, không có giải pháp nào khác ngoài việc giả định chất phản ứng giới hạn là gì.

Các quy tắc về việc chúng ta có nên xác định chất phản ứng giới hạn hay không trước khi bắt đầu tính toán cân bằng hóa học là:

• Nếu chỉ có một chất phản ứng, thì không có khái niệm về chất phản ứng giới hạn, vì vậy việc xác định nó là không cần thiết.
• Nếu chúng ta phản ứng với một chất phản ứng khi có sự dư thừa của một chất khác (ví dụ: vì tuyên bố của một vấn đề chỉ ra rõ ràng như vậy), thì chất đầu tiên sẽ là chất phản ứng hạn chế và không cần thiết phải xác định nó.
• Trong trường hợp chúng tôi muốn tính toán lượng sản phẩm có thể thu được từ một lượng nhất định của một chất phản ứng, bất kể các chất phản ứng khác có tham gia vào phản ứng hay không, chúng tôi thực hiện các phép tính với giả định rằng chất đầu tiên là chất phản ứng hạn chế và chúng tôi có đủ tất cả các thuốc thử khác tham gia.
• Mặt khác, nếu một phản ứng hóa học liên quan đến hai hoặc nhiều chất phản ứng và chúng tôi đã cố định hoặc giới hạn số lượng của hai hoặc nhiều chất trong số đó, chúng tôi phải luôn xác định đâu là chất phản ứng hạn chế trước khi thực hiện các tính toán khác .

Phương pháp xác định thuốc thử giới hạn của phản ứng hóa học

Chất phản ứng giới hạn là một khái niệm khiến nhiều sinh viên hóa học cơ bản sợ hãi, nhưng nó không nhất thiết phải như vậy. Các vấn đề liên quan đến thuốc thử giới hạn rất dễ nhận ra và đều có thể được giải quyết theo cùng một cách. Nó chỉ là tìm ra một cách nhanh chóng và dễ dàng để xác định chất phản ứng giới hạn là gì, sau đó sử dụng nó trong tất cả các tính toán cân bằng hóa học mà chúng ta cần thực hiện.

Dưới đây là ba cách khác nhau để xác định chất phản ứng giới hạn. Một số trực quan hơn và tương tự như ví dụ về bánh. Một số khác ít trực quan hơn, nhưng thực tế hơn và dễ sử dụng hơn, đặc biệt là trong các phản ứng phức tạp liên quan đến nhiều chất phản ứng. Ý tưởng là khi kết thúc bài viết này, bạn sẽ học được cách xác định chất phản ứng giới hạn trong mọi tình huống và bạn đã chọn một trong ba phương pháp để sử dụng hàng ngày trong tất cả các tính toán cân bằng hóa học mà bạn sẽ cần thực hiện trong tương lai.

Giải thích về ba phương pháp dựa trên cùng một vấn đề được nêu dưới đây và liên quan đến ba thuốc thử mà chúng tôi có số lượng nhất định hoặc hạn chế.

Vấn đề tính toán chất phản ứng giới hạn

Cho biết phản ứng tạo thành kali photphat:

Xác định khối lượng hợp chất này có thể được tạo thành nếu 19,55g kali, 3,10g phốt pho và 32,0g khí oxy phản ứng. Dữ liệu: khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố liên quan là: K:39,1; P:31,0 và 0:16,0.

Cách 1: Tôi có bao nhiêu tiền? – tôi cần bao nhiêu?

Vì chúng tôi có số lượng hạn chế của cả ba chất phản ứng, nên chúng tôi phải xác định đâu là chất phản ứng hạn chế trước khi thực hiện các phép tính cân bằng hóa học để thu được lượng kali photphat. Phương pháp đầu tiên chúng ta sẽ xem xét là xác định lượng chất phản ứng cần thiết để tiêu thụ hoàn toàn các chất phản ứng khác, sau đó so sánh kết quả này với lượng chất phản ứng mà chúng ta thực sự có.

Nếu khi thực hiện phép tính, hóa ra chúng ta có nhiều hơn những gì chúng ta cần, thì đó sẽ là thuốc thử dư thừa. Mặt khác, nếu chúng ta có ít hơn mức cần thiết để phản ứng với các chất phản ứng khác, thì đó sẽ là chất phản ứng hạn chế vì nó không đủ.

LƯU Ý: Cần lưu ý rằng phương pháp này chỉ cho phép bạn so sánh hai thuốc thử cùng một lúc để xác định hệ số giới hạn giữa chúng. Trong các trường hợp như ví dụ hiện tại, bao gồm nhiều hơn hai thuốc thử, việc so sánh phải được thực hiện liên tiếp cho đến khi xác định đâu là thuốc thử giới hạn chung. Cũng cần lưu ý rằng các tính toán có thể được thực hiện theo khối lượng hoặc nốt ruồi. Trong trường hợp này, nó sẽ được thực hiện theo khối lượng và trong hai phương pháp tiếp theo, các phép tính sẽ được thực hiện theo số mol.

Phương pháp tôi có bao nhiêu? – tôi cần bao nhiêu? Nó bao gồm các bước sau:

Bước 1: Xác định khối lượng mol của tất cả các chất tham gia phản ứng

Trong trường hợp hiện tại, khối lượng mol là:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MMP = _31,0 g/mol

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

Bước 2: Xác định khối lượng của tất cả các chất phản ứng, nếu không có sẵn.

Trong trường hợp này, chúng ta đã biết khối lượng của tất cả các chất phản ứng. Đó là:

                mK = _{19,55 gam}

                khối lượng _P = 3,10 gam

                mO2 = _{32,0 gam}

Bước 3: Chọn hai trong số các thuốc thử tham gia

Trong trường hợp này, chúng ta sẽ bắt đầu với kali (K) và phốt pho (P), nhưng thứ tự chọn các chất phản ứng không quan trọng.

Bước 4: Tính lượng chất thứ nhất phản ứng với lượng chất thứ hai đã cho.

Tại thời điểm này, chúng tôi sẽ thực hiện phép tính cân bằng hóa học đầu tiên. Đây là những tính toán về lượng giả thuyết cần thiết của mỗi thuốc thử để tiêu thụ hoàn toàn thuốc thử kia. Đó là, trước hết, chúng ta sẽ xác định lượng kali cần thiết để tiêu thụ hoàn toàn 3,10 g phốt pho mà chúng ta có. Tính toán này được thực hiện bằng một mối quan hệ cân bằng hóa học đơn giản:

Kết quả này có nghĩa là chúng ta cần 11,73 g kali để tiêu thụ hoàn toàn 3,10 g phốt pho mà chúng ta có.

Bước 5: Tính lượng chất thứ hai sẽ phản ứng với lượng đã cho của chất thứ nhất.

Bước này ngược lại với bước trước. Đó là, chúng tôi sẽ tính toán lượng phốt pho mà chúng tôi sẽ cần để tiêu thụ hoàn toàn lượng kali mà chúng tôi có.

Kết quả này có nghĩa là chúng ta cần 5,17 g phốt pho để tiêu thụ hoàn toàn 19,55 g kali mà chúng ta có.

Bước 6: Điền vào bảng Có/Cần và chọn thuốc thử giới hạn và dư thừa

Bảng này chứa hai chất phản ứng mà chúng tôi đang so sánh, lượng thực tế của từng loại mà chúng tôi có và lượng cần thiết mà chúng tôi vừa xác định ở bước 4 và 5. Ngoài ra, một số người thêm một cột có sự khác biệt giữa những gì chúng tôi có và những gì chúng tôi cần, vì dấu hiệu của sự khác biệt này có thể được sử dụng để nhanh chóng xác định RL là gì, mặc dù tốt hơn là nên xác định nó một cách logic để tránh sai sót.

Như chúng ta có thể thấy, trong trường hợp kali, chúng ta có nhiều hơn mức cần thiết để tiêu thụ hoàn toàn phốt pho, đó là lý do tại sao kali là chất phản ứng dư thừa. Điều này tự động ngụ ý rằng, giữa hai chất phản ứng này, photpho là chất phản ứng hạn chế. Điều này cũng có thể được suy ra bằng cách phân tích kết quả đối với phốt pho. Để tiêu thụ hết lượng kali, chúng ta cần 5,17 g phốt pho, nhưng chúng ta chỉ có 3,10 g. Điều này có nghĩa là lân chúng ta có không đủ để tiêu thụ hết kali nên nó hết trước, tức là nó là chất phản ứng hạn chế giữa hai chất.

Một cách dễ dàng khác để xác định thuốc thử giới hạn hầu như không cần suy nghĩ là chọn thuốc thử có chênh lệch T – N âm.

Tại thời điểm này, chúng tôi gọi phốt pho là chất phản ứng hạn chế một phần vì chúng tôi chưa biết liệu nó có còn là chất phản ứng hạn chế hay không khi chúng tôi so sánh nó với oxy. Đó là những gì bước tiếp theo là về.

Bước 7: Lặp lại các bước 4, 5 và 6 với thuốc thử giới hạn trước đó và thuốc thử khác.

Vì chúng tôi đã xác định rằng phốt pho là RL giữa nó và kali, nên bây giờ chúng tôi phải so sánh nó với tất cả các chất phản ứng khác tham gia vào phản ứng. Trong trường hợp này, điều này liên quan đến việc so sánh nó với oxy. Để thực hiện việc này, chúng tôi lặp lại các bước 4, 5 và 6 nhưng sử dụng P và O ₂ .

Vì không còn thuốc thử nào mà chúng tôi chưa so sánh, nên chúng tôi kết luận rằng thuốc thử giới hạn tổng thể (hay đơn giản là thuốc thử giới hạn) là photpho .

Cách 2: Tính một tích

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc giống như ví dụ về chiếc bánh mà chúng ta đã thấy trước đó. Nó đơn giản bao gồm việc xác định lượng của cùng một sản phẩm có thể thu được từ lượng đã cho của mỗi chất phản ứng. Cuối cùng, chất phản ứng hạn chế là chất tạo ra ít sản phẩm đó nhất. Tính toán cân bằng hóa học có thể được thực hiện theo khối lượng hoặc theo nốt ruồi. Điều duy nhất thay đổi là việc sử dụng khối lượng mol trong các tỷ lệ cân bằng hóa học được sử dụng trong các phép tính. Vì phương pháp trước được thực hiện bằng cách sử dụng khối lượng nên chúng tôi sẽ thực hiện phương pháp này bằng cách sử dụng nốt ruồi, nhưng nên nhớ rằng nó cũng có thể được áp dụng cho khối lượng.

Các bước như sau:

Bước 1: Xác định tất cả khối lượng mol của các chất phản ứng.

Đây là bước đầu tiên giống như phương pháp trước nên chúng tôi sẽ không nhắc lại ở đây.

Bước 2: Xác định số mol của tất cả các chất phản ứng, nếu không có.

Tính toán này bao gồm chia khối lượng cho khối lượng mol tương ứng:

                nK ₌ 19,55g / 39,1g/mol = 0,500mol

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

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

Bước 3: Tính số mol của cùng một sản phẩm có thể được tạo ra từ mỗi chất phản ứng.

Sử dụng các tỷ lệ cân bằng hóa học theo số mol, thu được trực tiếp từ phương trình hóa học đã cân bằng, chúng tôi tính toán số mol giả thuyết mà chúng tôi có thể thu được từ mỗi chất phản ứng nếu nó được tiêu thụ hoàn toàn:

Bước 4: Chất phản ứng hạn chế sẽ là chất tạo ra ít sản phẩm nhất.

Chúng tôi có thể tóm tắt các tính toán chúng tôi đã thực hiện trong bảng sau:

Đúng như dự đoán, thuốc thử giới hạn hóa ra lại là phốt pho.

Cách 3: Phương pháp tỷ lệ cân bằng hóa học

Phương pháp này bao gồm việc xác định tỷ lệ cân bằng hóa học trong đó mỗi chất phản ứng được tìm thấy liên quan đến phương trình hóa học đã điều chỉnh. Sau đó, theo định nghĩa, chất phản ứng giới hạn là chất có tỷ lệ nhỏ nhất. Tỷ lệ này được xác định bằng cách chia số mol của mỗi chất phản ứng cho hệ số cân bằng hóa học của nó.

Trên hết, đây là phương pháp dễ sử dụng nhất, vì nó có thể được thực hiện rất nhanh chóng và không cần suy nghĩ nhiều. Hai bước đầu tiên giống như các bước của phương pháp trước đó và tất cả những gì còn lại là thêm phép tính tỷ lệ cân bằng hóa học:

Một lần nữa, thuốc thử giới hạn hóa ra là phốt pho.

Nhận xét cuối cùng

Các bước xác định thuốc thử giới hạn được trình bày ở đây phải được điều chỉnh trong trường hợp phản ứng trong dung dịch nước, trong đó nồng độ và thể tích dung dịch được sử dụng thay vì khối lượng hoặc số mol. Điều tương tự cũng có thể nói về trường hợp một người làm việc với chất khí và người đó có áp suất hoặc thể tích của chất khí. Trong mọi trường hợp, điều duy nhất sẽ thay đổi là quá trình tính toán số mol hoặc khối lượng, nhưng mọi thứ khác sẽ không thay đổi.

Người giới thiệu

Bolívar, G. (2019, ngày 8 tháng 6). Chất phản ứng giới hạn và dư thừa: Cách tính toán và ví dụ . cứu hộ. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Hóa học ( ^{tái bản lần} thứ 11 .). GIÁO DỤC MCGRAW HILL.

Ví dụ về Thuốc thử Hạn chế . (nd). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Hiệu suất của các phản ứng. (2020, ngày 30 tháng 10). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822