So berechnen Sie den limitierenden Reaktanten einer chemischen Reaktion

Bei einer chemischen Reaktion ist der limitierende Reaktant (RL) der Reaktant mit dem kleinsten stöchiometrischen Anteil . Das heißt, es entspricht dem Edukt, das im Verlauf der Reaktion zuerst ausläuft. In diesem Fall kann die Reaktion nicht fortgesetzt werden, sodass die Menge an anderen Reaktanten, die verbraucht werden können, sowie die Menge an Produkten, die gebildet werden können, begrenzt ist, daher der Name.

Warum ist es wichtig, den limitierenden Reaktanten zu bestimmen?

In Anbetracht der Tatsache, dass das limitierende Reagenz dasjenige ist, das am Ende die Mengen aller anderen Substanzen bestimmt, die effektiv an der Reaktion teilnehmen können, ist es dann das wichtigste vom Standpunkt der stöchiometrischen Berechnungen. Tatsächlich müssen alle stöchiometrischen Berechnungen ausschließlich auf der Grundlage des begrenzenden Reaktanten oder einer anderen Menge, die darauf basierend berechnet wurde, durchgeführt werden, da dies mit einem der anderen Reaktanten (die als Reaktanten im Überschuss bezeichnet werden) zu führen würde ein übermäßiger Berechnungsfehler.

Betrachten wir als Beispiel ein Rezept für einen Kuchen, der Folgendes erfordert:

• 1 Tasse Milch
• 2 Tassen Mehl
• 1 Tasse Zucker und
• 4 Eier.

Nehmen wir nun an, dass wir im Kühlschrank haben

• 5 Tassen Milch
• 8 Tassen Mehl
• 2 Tassen Zucker und
• 20 Eier.

Wie viele Kuchen können wir mit diesen Zutaten backen?

Diese Art von Problem ist dem einer chemischen Reaktion sehr ähnlich, für die wir ein Rezept haben (gegeben durch die ausgewogene oder ausgeglichene chemische Gleichung), wir können variable Mengen an Zutaten (die zu Reaktanten werden) und ein oder mehrere Produkte haben.

Wenn wir separat analysieren, wie viele Kuchen wir mit jeder unserer Zutaten zubereiten können, erhalten wir unterschiedliche mögliche Kuchenmengen:

• Da jeder Kuchen nur 1 Tasse Milch benötigt, könnten wir mit 5 Tassen Milch 5 Kuchen backen.
• Die 8 Tassen Mehl reichen aus, um 4 Kuchen zuzubereiten.
• Jeder Kuchen hat 2 Tassen Zucker, also können wir mit 2 Tassen nur 2 Kuchen machen.
• Mit 20 Eiern könnten wir 5 Kuchen backen, da jeder 4 Eier benötigt.

Es ist offensichtlich, dass die maximale Anzahl von Kuchen, die wir in diesem Fall zubereiten können, 2 beträgt, da wir nicht genug Zucker haben, um 4, geschweige denn 5 Kuchen zuzubereiten. Das heißt, nachdem wir mit der Zubereitung des zweiten Kuchens fertig sind, wird uns der Zucker ausgehen, sodass wir nicht in der Lage sein werden, weitere Kuchen zuzubereiten, selbst wenn wir viele andere Zutaten haben.

Zucker stellt in diesem Fall die „limitierende Zutat“ in unserer Kuchenmanufaktur dar. Das Konzept des limitierenden Reagens sowie die Art und Weise, es zu identifizieren, ist genau dasselbe. Lassen Sie uns sehen, wie der limitierende Reaktant in einer chemischen Reaktion berechnet oder bestimmt wird.

Wann sollten wir bestimmen, welcher der limitierende Reaktant ist und wann nicht?

Bevor wir lernen, den limitierenden Reaktanten zu bestimmen, müssen wir wissen, in welchen Situationen dies erforderlich ist. Grundsätzlich sind alle stöchiometrischen Berechnungen ausgehend vom Grenzreagenz durchzuführen. In einigen Situationen ist es jedoch nicht erforderlich, ihn zu bestimmen, entweder weil bereits im Voraus bekannt ist, was er ist, oder weil es mit den verfügbaren Informationen keine andere Lösung gibt, als anzunehmen, was der limitierende Reaktant ist.

Die Regeln dafür, ob wir den begrenzenden Reaktanten bestimmen sollten oder nicht, bevor wir mit den stöchiometrischen Berechnungen beginnen, lauten:

• Wenn es nur einen Reaktanten gibt, gibt es kein Konzept eines begrenzenden Reaktanten, daher ist seine Bestimmung nicht erforderlich.
• Wenn wir einen Reaktanten in Gegenwart eines Überschusses eines anderen reagieren lassen (weil beispielsweise die Problemstellung ausdrücklich darauf hinweist), dann ist der erste der limitierende Reaktant und es ist nicht notwendig, ihn zu bestimmen.
• Für den Fall, dass wir berechnen wollen, wie viel Produkt aus einer gegebenen Menge eines einzelnen Reaktanten erhalten werden kann, unabhängig davon, ob andere Reaktanten an der Reaktion beteiligt sind, führen wir die Berechnungen unter der Annahme durch, dass der erste Reaktant der limitierende Reaktant ist und dass wir haben genug von allen anderen beteiligten Reagenzien.
• Wenn andererseits an einer chemischen Reaktion zwei oder mehr Reaktanten beteiligt sind und wir feste oder begrenzte Mengen von zwei oder mehr davon haben, müssen wir immer bestimmen, welcher der limitierende Reaktant ist, bevor wir die anderen Berechnungen durchführen .

Methoden zur Bestimmung des limitierenden Reagenzes einer chemischen Reaktion

Der limitierende Reaktant ist ein Konzept, das vielen Studenten der Grundchemie Angst macht, aber das muss nicht sein. Probleme mit dem limitierenden Reagenz sind leicht zu erkennen und können alle auf die gleiche Weise gelöst werden. Es geht nur darum, einen schnellen und einfachen Weg zu finden, um zu bestimmen, was der limitierende Reaktant ist, und ihn dann in allen stöchiometrischen Berechnungen zu verwenden, die wir durchführen müssen.

Im Folgenden finden Sie drei verschiedene Möglichkeiten, um den limitierenden Reaktanten zu bestimmen. Einige sind intuitiver und ähneln dem Kuchenbeispiel. Andere sind weniger intuitiv, aber praktischer und einfacher zu verwenden, insbesondere bei komplexen Reaktionen mit vielen Reaktanten. Die Idee ist, dass Sie am Ende dieses Artikels gelernt haben, wie man den begrenzenden Reaktanten in jeder Situation bestimmt, und dass Sie eine der drei Methoden für den täglichen Gebrauch bei allen stöchiometrischen Berechnungen gewählt haben, die Sie durchführen müssen die Zukunft.

Die Erklärung der drei Methoden basiert auf demselben Problem, das unten angegeben ist und das drei Reagenzien beinhaltet, von denen wir bestimmte oder begrenzte Mengen haben.

Begrenzung des Reaktantenberechnungsproblems

Angesichts der Reaktion zur Bildung von Kaliumphosphat:

Bestimmen Sie die Menge dieser Verbindung, die gebildet werden könnte, wenn 19,55 g Kalium, 3,10 g Phosphor und 32,0 g Sauerstoffgas umgesetzt werden. Daten: die relativen Atommassen der beteiligten Elemente sind: K:39,1; P:31.0 und 0:16.0.

Methode 1: Die Methode Wie viel habe ich? – wie viel brauche ich?

Da wir begrenzte Mengen aller drei Reaktanten haben, müssen wir bestimmen, welcher der limitierende Reaktant ist, bevor wir stöchiometrische Berechnungen durchführen, um die Menge an Kaliumphosphat zu erhalten. Die erste Methode, die wir uns ansehen, besteht darin, zu bestimmen, wie viel von jedem Reaktanten benötigt wird, um die anderen Reaktanten vollständig zu verbrauchen, und dann dieses Ergebnis mit der Menge des Reaktanten zu vergleichen, die wir tatsächlich haben.

Wenn sich bei der Berechnung herausstellt, dass wir mehr haben als wir brauchen, dann ist das das überschüssige Reagenz. Wenn wir andererseits weniger haben, als wir brauchen, um mit den anderen Reaktanten zu reagieren, dann ist dies der limitierende Reaktant, da er nicht ausreicht.

HINWEIS: Es sollte beachtet werden, dass Sie mit dieser Methode nur zwei Reagenzien gleichzeitig vergleichen können, um den limitierenden Faktor zwischen ihnen zu bestimmen. In Fällen wie dem vorliegenden Beispiel, die mehr als zwei Reagenzien betreffen, muss der Vergleich nacheinander durchgeführt werden, bis bestimmt wird, welches das global limitierende Reagenz ist. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Berechnungen in Massen oder Molen durchgeführt werden können. In diesem Fall wird es in Masse durchgeführt, und in den nächsten beiden Methoden werden die Berechnungen in Mol durchgeführt.

Die Methode wie viel habe ich? – wie viel brauche ich? Es besteht aus den folgenden Schritten:

Schritt 1: Bestimmen Sie die Molmassen aller beteiligten Reaktanten

Im vorliegenden Fall sind die Molmassen:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Schritt 2: Bestimmen Sie die Massen aller Reaktanten, falls nicht verfügbar.

In diesem Fall kennen wir bereits die Massen aller Reaktanten. Diese sind:

                mK = _{19,55 g}

                mP = 3,10 _g

                mO2 = _{32,0 g}

Schritt 3: Wählen Sie zwei der beteiligten Reagenzien aus

In diesem Fall beginnen wir mit Kalium (K) und Phosphor (P), aber die Reihenfolge, in der die Reaktanten gewählt werden, ist nicht wichtig.

Schritt 4: Berechnen Sie die Menge des ersten, die mit der gegebenen Menge des zweiten reagieren würde.

An dieser Stelle führen wir die erste stöchiometrische Berechnung durch. Dies sind Berechnungen der hypothetischen Mengen, die von jedem Reagenz benötigt würden, um das andere vollständig zu verbrauchen. Das heißt, wir werden zunächst bestimmen, wie viel Kalium wir benötigen würden, um die 3,10 g Phosphor, die wir haben, vollständig zu verbrauchen. Diese Berechnung erfolgt über eine einfache stöchiometrische Beziehung:

Dieses Ergebnis bedeutet, dass wir 11,73 g Kalium benötigen, um die 3,10 g Phosphor, die wir haben, vollständig zu verbrauchen.

Schritt 5: Berechnen Sie die Menge des zweiten, die mit der gegebenen Menge des ersten reagieren würde.

Dieser Schritt ist das Gegenteil des vorherigen Schritts. Das heißt, wir berechnen die Menge an Phosphor, die wir benötigen würden, um das gesamte Kalium, das wir haben, vollständig zu verbrauchen.

Dieses Ergebnis bedeutet, dass wir 5,17 g Phosphor benötigen, um die 19,55 g Kalium, die wir haben, vollständig zu verbrauchen.

Schritt 6: Füllen Sie eine Have/Need-Tabelle aus und wählen Sie das limitierende und überschüssige Reagenz

Diese Tabelle enthält die beiden Reaktanten, die wir vergleichen, die tatsächlichen Mengen von jedem, die wir haben, und die benötigten Mengen, die wir gerade in den Schritten 4 und 5 bestimmt haben. Außerdem fügen einige Leute eine Spalte mit dem Unterschied zwischen dem, was wir haben, und dem, was wir haben, hinzu notwendig, da das Vorzeichen dieser Differenz verwendet werden kann, um schnell zu bestimmen, was RL ist, obwohl es vorzuziehen ist, es logisch zu bestimmen, um Fehler zu vermeiden.

Wie wir sehen können, haben wir im Fall von Kalium mehr als wir brauchen, um Phosphor vollständig zu verbrauchen, weshalb Kalium ein überschüssiger Reaktant ist. Dies impliziert automatisch, dass Phosphor zwischen diesen beiden Reagenzien das limitierende Reagenz ist. Dies lässt sich auch aus der Analyse der Ergebnisse für Phosphor ableiten. Um das gesamte Kalium zu verbrauchen, bräuchten wir 5,17 g Phosphor, aber wir haben nur 3,10 g. Das bedeutet, dass der Phosphor, den wir haben, nicht ausreicht, um das gesamte Kalium zu verbrauchen, also geht es zuerst aus, dh es ist der limitierende Reaktant zwischen den beiden.

Eine andere einfache Möglichkeit, das limitierende Reagenz fast ohne Nachdenken zu bestimmen, besteht darin, dasjenige auszuwählen, dessen Differenz T – N negativ ist.

An dieser Stelle nennen wir Phosphor den partiell limitierenden Reaktanten, da wir noch nicht wissen, ob er immer noch der limitierende Reaktant sein wird, wenn wir ihn mit Sauerstoff vergleichen. Darum geht es im nächsten Schritt.

Schritt 7: Wiederholen Sie die Schritte 4, 5 und 6 mit dem vorherigen Begrenzungsreagenz und einem anderen Reagenz.

Da wir festgestellt haben, dass Phosphor die RL zwischen ihm und Kalium ist, müssen wir es jetzt mit allen anderen an der Reaktion beteiligten Reaktanten vergleichen. In diesem Fall geht es um den Vergleich mit Sauerstoff. Dazu wiederholen wir die Schritte 4, 5 und 6, verwenden aber P und O ₂ .

Da es keine Reagenzien mehr gibt, die wir nicht verglichen haben, schlussfolgern wir, dass das insgesamt limitierende Reagenz (oder einfach das limitierende Reagenz) Phosphor ist .

Methode 2: Berechnung eines Produkts

Diese Methode basiert auf dem gleichen Prinzip wie das Tortenbeispiel, das wir zuvor gesehen haben. Es besteht einfach darin, die Menge desselben Produkts zu bestimmen, die aus der gegebenen Menge jedes Reaktanten erhalten werden kann. Am Ende ist der limitierende Reaktant derjenige, der die geringste Menge dieses Produkts produziert. Stöchiometrische Berechnungen können in Massen oder in Mol durchgeführt werden. Das einzige, was sich ändert, ist die Verwendung von Molmassen in den stöchiometrischen Verhältnissen, die in den Berechnungen verwendet werden. Da die vorherige Methode mit Massen durchgeführt wurde, werden wir diese Methode mit Maulwürfen implementieren, aber es sollte daran erinnert werden, dass sie auch auf Massen angewendet werden kann.

Die Schritte sind die folgenden:

Schritt 1: Bestimmen Sie alle Molmassen der Reaktanten.

Dies ist der gleiche erste Schritt wie die vorherige Methode, daher werden wir ihn hier nicht wiederholen.

Schritt 2: Bestimmen Sie die Mole aller Reaktanten, falls nicht verfügbar.

Diese Berechnung besteht aus der Division der Massen durch die jeweiligen Molmassen:

                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

Schritt 3: Berechnen Sie die Mole desselben Produkts, die mit jedem Reaktanten hergestellt werden können.

Unter Verwendung der stöchiometrischen Verhältnisse in Mol, die direkt aus der ausgeglichenen chemischen Gleichung erhalten werden, berechnen wir die hypothetischen Mol, die wir von jedem Reaktanten erhalten könnten, wenn er vollständig verbraucht würde:

Schritt 4: Der limitierende Reaktant ist derjenige, der die geringste Menge an Produkt produziert.

Wir können die von uns durchgeführten Berechnungen in der folgenden Tabelle zusammenfassen:

Als limitierendes Reagenz erwies sich wie erwartet wieder Phosphor.

Methode 3: Methode der stöchiometrischen Anteile

Dieses Verfahren besteht darin, den stöchiometrischen Anteil zu bestimmen, in dem jeder Reaktant in Bezug auf die angepasste chemische Gleichung gefunden wird. Dann ist per Definition der limitierende Reaktant derjenige mit dem kleinsten Anteil. Dieses Verhältnis wird durch Dividieren der Molzahl jedes Reaktanten durch seinen stöchiometrischen Koeffizienten bestimmt.

Dies ist von allen die einfachste Methode, da sie sehr schnell und ohne viel Nachdenken durchgeführt werden kann. Die ersten beiden Schritte sind die gleichen wie bei der vorherigen Methode, es bleibt nur noch die Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses hinzuzufügen:

Wieder einmal stellt sich heraus, dass Phosphor das limitierende Reagenz ist.

Letzte Kommentare

Bei Reaktionen in wässrigen Lösungen, bei denen anstelle von Massen oder Mol Konzentrationen und Volumina der Lösung verwendet werden, müssen die hier vorgestellten Schritte zur Bestimmung des Limitierungsreagenzes angepasst werden. Dasselbe gilt für den Fall, dass man mit Gasen arbeitet und man den Druck oder das Volumen eines Gases hat. In jedem Fall würde sich nur die Berechnung der Mole oder der Masse ändern, aber alles andere würde gleich bleiben.

Verweise

Bolívar, G. (2019, 8. Juni). Begrenzung und überschüssiger Reaktant: Wie es berechnet wird und Beispiele . Lebender. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Chemie (11. ^Aufl .). MCGRAW HILL BILDUNG.

Beispiele für einschränkende Reagenzien . (nd). Quimicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Die Ausbeuten der Reaktionen. (2020, 30. Oktober). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822