Sådan beregnes den begrænsende reaktant af en kemisk reaktion

I en kemisk reaktion er den begrænsende reaktant (RL) den reaktant, der er i den mindste støkiometriske andel . Det betyder, at det svarer til den reaktant, der først løber ud, efterhånden som reaktionen skrider frem. Når dette sker, kan reaktionen ikke fortsætte, så mængden af ​​andre reaktanter, der kan forbruges, er begrænset, såvel som mængden af ​​produkter, der kan dannes, deraf navnet.

Hvorfor er det vigtigt at bestemme den begrænsende reaktant?

I betragtning af, at det begrænsende reagens er det, der, når det er færdigt, bestemmer mængderne af alle de andre stoffer, der effektivt kan deltage i reaktionen, er det så det vigtigste ud fra støkiometriske beregninger. Faktisk skal alle støkiometriske beregninger udføres udelukkende på baggrund af den begrænsende reaktant eller en anden mængde, der er blevet beregnet på baggrund af den, da at gøre det med en af ​​de andre reaktanter (som kaldes reaktanter i overskud), vil føre til en overskydende regnefejl.

Lad os som et eksempel overveje en opskrift på en kage, der kræver:

• 1 kop mælk
• 2 kopper mel
• 1 kop sukker, og
• 4 æg.

Antag nu, at vi har i køleskabet

• 5 kopper mælk
• 8 kopper mel
• 2 kopper sukker, og
• 20 æg.

Hvor mange kager kan vi lave med disse ingredienser?

Denne type problemer minder meget om en kemisk reaktion, som vi har en opskrift på (givet af den afbalancerede eller afbalancerede kemiske ligning), vi kan have variable mængder af ingredienser (som bliver til reaktanterne) og et eller flere produkter.

Hvis vi analyserer separat, hvor mange kager vi kan tilberede med hver af de ingredienser, vi har, får vi forskellige mulige mængder kager:

• Da hver kage kun kræver 1 kop mælk, kunne vi med 5 kopper mælk lave 5 kager.
• De 8 kopper mel er nok til at forberede 4 kager.
• Hver kage har 2 kopper sukker, så med 2 kopper kan vi kun lave 2 kager.
• Med 20 æg kunne vi lave 5 kager, da hver enkelt kræver 4 æg.

Det er tydeligt, at det maksimale antal kager, som vi kan tilberede i dette tilfælde, er 2, da vi ikke har nok sukker til at forberede 4, endsige 5 kager. Det vil sige, at når vi er færdige med at tilberede den anden kage, løber vi tør for sukker, så vi vil ikke kunne fortsætte med at tilberede flere kager, selvom vi har rigeligt med de andre ingredienser.

I dette tilfælde repræsenterer sukker den “begrænsende ingrediens” i vores kagefabrik. Konceptet med det begrænsende reagens, såvel som måden at identificere det på, er nøjagtigt det samme. Med det sagt, lad os se, hvordan den begrænsende reaktant beregnes eller bestemmes i en kemisk reaktion.

Hvornår skal vi afgøre, hvilken der er den begrænsende reaktant, og hvornår ikke?

Før vi lærer at bestemme, hvad den begrænsende reaktant er, skal vi vide, i hvilke situationer det er nødvendigt at gøre det. I princippet skal alle støkiometriske beregninger udføres med udgangspunkt i det begrænsende reagens. Men i nogle situationer er det ikke nødvendigt at bestemme det, enten fordi det allerede er kendt på forhånd, hvad det er, eller fordi der med den tilgængelige information ikke er nogen anden løsning end at antage, hvad den begrænsende reaktant er.

Reglerne for, hvorvidt vi skal bestemme den begrænsende reaktant, inden vi starter de støkiometriske beregninger, er:

• Hvis der kun er én reaktant, er der ikke noget koncept for en begrænsende reaktant, så det er ikke nødvendigt at bestemme det.
• Hvis vi reagerer på en reaktant i nærværelse af et overskud af en anden (fordi problemformuleringen f.eks. udtrykkeligt angiver det), så vil den første være den begrænsende reaktant, og det er ikke nødvendigt at bestemme det.
• I tilfælde af at vi ønsker at beregne, hvor meget produkt der kan opnås fra en given mængde af en enkelt reaktant, uanset om andre reaktanter er involveret i reaktionen, udfører vi beregningerne under forudsætning af, at den første reaktant er den begrænsende reaktant, og at vi har nok af alle de andre involverede reagenser.
• På den anden side, hvis en kemisk reaktion involverer to eller flere reaktanter, og vi har faste eller begrænsede mængder af to eller flere af dem, skal vi altid bestemme, hvilken der er den begrænsende reaktant, før vi udfører de andre beregninger .

Metoder til at bestemme det begrænsende reagens for en kemisk reaktion

Den begrænsende reaktant er et koncept, der skræmmer mange grundlæggende kemistuderende, men det behøver det ikke at være. Problemer, der involverer det begrænsende reagens, er lette at genkende og kan alle løses på samme måde. Det handler bare om at finde en hurtig og nem måde at bestemme, hvad den begrænsende reaktant er, og så bruge den i alle de støkiometriske beregninger, vi skal udføre.

Nedenfor er tre forskellige måder at bestemme den begrænsende reaktant på. Nogle er mere intuitive og ligner kageeksemplet. Andre er mindre intuitive, men er mere praktiske og nemmere at bruge, især i komplekse reaktioner, der involverer mange reaktanter. Tanken er, at du ved slutningen af ​​denne artikel vil have lært, hvordan du bestemmer den begrænsende reaktant i enhver situation, og at du har valgt en af ​​de tre metoder til daglig brug i alle de støkiometriske beregninger, du skal udføre i fremtiden.

Forklaringen af ​​de tre metoder er baseret på det samme problem, som er angivet nedenfor, og som involverer tre reagenser, som vi har visse eller begrænsede mængder af.

Begrænsende reaktantberegningsproblem

Givet reaktionen for dannelsen af ​​kaliumphosphat:

Bestem mængden af ​​denne forbindelse, der kunne dannes, hvis 19,55 g kalium, 3,10 g phosphor og 32,0 g iltgas omsættes. Data: de relative atommasser af de involverede grundstoffer er: K:39,1; P:31,0 og 0:16,0.

Metode 1: Metoden hvor meget har jeg? – hvor meget skal jeg bruge?

Da vi har begrænsede mængder af alle tre reaktanter, skal vi bestemme, hvilken der er den begrænsende reaktant, før vi udfører støkiometriske beregninger for at opnå mængden af ​​kaliumphosphat. Den første metode, vi vil se på, er at bestemme, hvor meget af hver reaktant, der er nødvendig for fuldt ud at forbruge de andre reaktanter, og derefter sammenligne dette resultat med, hvor meget af reaktanten, vi faktisk har.

Hvis det, når vi udfører beregningen, viser sig, at vi har mere, end vi har brug for, så vil det være det overskydende reagens. På den anden side, hvis vi har mindre end vi behøver for at reagere med de andre reaktanter, så vil det være den begrænsende reaktant, da det ikke er nok.

BEMÆRK: Det skal bemærkes, at denne metode kun giver dig mulighed for at sammenligne to reagenser ad gangen for at bestemme den begrænsende faktor mellem dem. I tilfælde som det foreliggende eksempel, der involverer mere end to reagenser, skal sammenligningen udføres fortløbende, indtil det bestemmes, hvilket er det globale begrænsende reagens. Det skal også bemærkes, at beregningerne kan udføres i form af masser eller mol. I dette tilfælde vil det blive udført i masse, og i de næste to metoder vil beregningerne blive udført i mol.

Metoden hvor meget har jeg? – hvor meget skal jeg bruge? Den består af følgende trin:

Trin 1: Bestem molmasserne af alle involverede reaktanter

I det foreliggende tilfælde er molmasserne:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Trin 2: Bestem masserne af alle reaktanter, hvis de ikke er tilgængelige.

I dette tilfælde kender vi allerede masserne af alle reaktanter. Disse er:

                mK = _{19,55 g}

                mP ₌ 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Trin 3: Vælg to af de involverede reagenser

I dette tilfælde vil vi starte med kalium (K) og fosfor (P), men rækkefølgen, hvori reaktanterne er valgt, er ikke vigtig.

Trin 4: Beregn mængden af ​​den første, der ville reagere med den givne mængde af den anden.

På dette tidspunkt vil vi udføre den første støkiometriske beregning. Disse er beregninger af de hypotetiske mængder, der ville være nødvendige for hvert reagens for fuldt ud at forbruge det andet. Det vil sige, at vi først og fremmest bestemmer, hvor meget kalium vi skal bruge for fuldstændigt at forbruge de 3,10 g fosfor, vi har. Denne beregning udføres ved hjælp af et simpelt støkiometrisk forhold:

Dette resultat betyder, at vi har brug for 11,73 g kalium for fuldstændigt at forbruge de 3,10 g fosfor, vi har.

Trin 5: Beregn mængden af ​​den anden, der ville reagere med den givne mængde af den første.

Dette trin er det modsatte af det foregående trin. Det vil sige, at vi vil beregne mængden af ​​fosfor, som vi skal bruge for fuldstændigt at forbruge alt det kalium, vi har.

Dette resultat betyder, at vi har brug for 5,17 g fosfor for fuldstændigt at forbruge de 19,55 g kalium, vi har.

Trin 6: Udfyld en Have/Behov-tabel, og vælg den begrænsende og overskydende reagens

Denne tabel indeholder de to reaktanter, vi sammenligner, de faktiske mængder af hver, vi har, og de nødvendige mængder, som vi lige har bestemt i trin 4 og 5. Derudover tilføjer nogle personer en kolonne med forskellen mellem, hvad vi har, og hvad vi har. behov, da tegnet på denne forskel kan bruges til hurtigt at bestemme, hvad RL er, selvom det er at foretrække at bestemme det logisk for at undgå fejl.

Som vi kan se, har vi i tilfælde af kalium mere, end vi behøver for fuldstændigt at forbruge fosfor, hvorfor kalium er en overskydende reaktant. Dette indebærer automatisk, at mellem disse to reagenser er fosfor det begrænsende reagens. Dette kan også udledes ved at analysere resultaterne for fosfor. For at forbruge alt kalium skal vi bruge 5,17 g fosfor, men vi har kun 3,10 g. Det betyder, at det fosfor, vi har, ikke er nok til at forbruge alt kalium, så det løber ud først, dvs. det er den begrænsende reaktant mellem de to.

En anden nem måde at bestemme det begrænsende reagens næsten uden at tænke på er ved at vælge den, hvis forskel T – N er negativ.

På dette tidspunkt kalder vi fosfor den delvist begrænsende reaktant, da vi endnu ikke ved, om det stadig vil være den begrænsende reaktant, når vi sammenligner det med oxygen. Det er det, næste skridt handler om.

Trin 7: Gentag trin 4, 5 og 6 med det foregående begrænsende reagens og et andet reagens.

Da vi bestemte, at fosfor er RL mellem det og kalium, skal vi nu sammenligne det med alle andre reaktanter involveret i reaktionen. I dette tilfælde involverer dette at sammenligne det med ilt. For at gøre dette gentager vi trin 4, 5 og 6, men bruger P og O ₂ .

Da der ikke er flere reagenser tilbage, som vi ikke har sammenlignet, konkluderer vi, at det overordnede begrænsende reagens (eller simpelthen det begrænsende reagens) er phosphor .

Metode 2: Beregning af et produkt

Denne metode er baseret på samme princip som tærteeksemplet, vi så tidligere. Det består ganske enkelt i at bestemme mængden af ​​det samme produkt, der kan opnås ud fra den givne mængde af hver reaktant. I sidste ende er den begrænsende reaktant den, der producerer den mindste mængde af det pågældende produkt. Støkiometriske beregninger kan udføres i masser eller i mol. Det eneste, der ændrer sig, er brugen af ​​molmasser i de støkiometriske forhold, der bruges i beregningerne. Da den tidligere metode blev udført ved hjælp af masser, vil vi implementere denne metode ved hjælp af mol, men det skal huskes, at den også kan anvendes på masser.

Trinene er følgende:

Trin 1: Bestem alle molære masser af reaktanterne.

Dette er det samme første trin som den forrige metode, så vi gentager det ikke her.

Trin 2: Bestem mol af alle reaktanter, hvis de ikke er tilgængelige.

Denne beregning består i at dividere masserne med de respektive molære masser:

                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

Trin 3: Beregn antallet af mol af det samme produkt, der kan produceres med hver reaktant.

Ved at bruge de støkiometriske forhold i mol, som er opnået direkte fra den afbalancerede kemiske ligning, beregner vi de hypotetiske mol, som vi kunne opnå fra hver reaktant, hvis den var fuldstændig forbrugt:

Trin 4: Den begrænsende reaktant vil være den, der producerer den mindste mængde produkt.

Vi kan opsummere de beregninger, vi har lavet, i følgende tabel:

Som forventet viste det begrænsende reagens sig igen at være fosfor.

Metode 3: Metode med støkiometriske proportioner

Denne metode består i at bestemme det støkiometriske forhold, hvori hver reaktant findes i forhold til den justerede kemiske ligning. Så er den begrænsende reaktant per definition den med den mindste andel. Dette forhold bestemmes ved at dividere antallet af mol af hver reaktant med dens støkiometriske koefficient.

Af alt er dette den nemmeste metode at bruge, da det kan gøres meget hurtigt og uden megen omtanke. De første to trin er de samme som i den foregående metode, og der er kun tilbage at tilføje beregningen af ​​det støkiometriske forhold:

Endnu en gang viser det begrænsende reagens sig at være fosfor.

Afsluttende kommentarer

Trinene til bestemmelse af det her præsenterede begrænsende reagens skal tilpasses i tilfælde af reaktioner i vandige opløsninger, hvor der anvendes koncentrationer og volumener af opløsning i stedet for masser eller mol. Det samme kan siges om det tilfælde, hvor man arbejder med gasser, og man har trykket eller volumenet af en gas. Under alle omstændigheder ville det eneste, der ville ændre sig, være processen med at beregne mol eller masse, men alt andet ville forblive det samme.

Referencer

Bolívar, G. (2019, 8. juni). Begrænsning og overskydende reaktant: hvordan det beregnes og eksempler . livsvarigt. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Kemi (11. ^udgave ). MCGRAW HILL UDDANNELSE.

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

Udbyttet af reaktionerne. (2020, 30. oktober). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822