Kuinka laskea kemiallisen reaktion rajoittava reaktantti

Kemiallisessa reaktiossa rajoittava reaktantti (RL) on lähtöaine, joka on pienimmässä stoikiometrisessä suhteessa . Tämä tarkoittaa, että se vastaa lähtöainetta, joka loppuu ensimmäisenä reaktion edetessä. Kun näin tapahtuu, reaktio ei voi jatkua, joten muiden kulutettavien reagenssien määrä on rajoitettu, samoin kuin muodostuvien tuotteiden määrä, mistä johtuu sen nimi.

Miksi on tärkeää määrittää rajoittava reagenssi?

Ottaen huomioon, että rajoitusreagenssi on se, joka määrittää valmiina kaikkien muiden aineiden määrät, jotka voivat tehokkaasti osallistua reaktioon, se on silloin tärkein stoikiometristen laskelmien kannalta. Itse asiassa kaikki stoikiometriset laskelmat on suoritettava pelkästään rajoittavan lähtöaineen tai jonkin muun sen perusteella lasketun määrän perusteella, koska sen tekeminen millä tahansa muulla reagenssilla (jota kutsutaan ylimääräisiksi lähtöaineiksi) johtaa liiallinen laskuvirhe.

Tarkastellaanpa esimerkkinä kakun reseptiä, joka vaatii:

• 1 kuppi maitoa
• 2 kuppia jauhoja
• 1 kuppi sokeria ja
• 4 munaa.

Oletetaan nyt, että meillä on jääkaapissa

• 5 kupillista maitoa
• 8 kupillista jauhoja
• 2 kupillista sokeria ja
• 20 munaa.

Kuinka monta kakkua voimme tehdä näistä aineksista?

Tämän tyyppinen ongelma on hyvin samanlainen kuin kemiallinen reaktio, jolle meillä on resepti (joka on annettu tasapainotetulla tai tasapainotetulla kemiallisella yhtälöllä), meillä voi olla vaihtelevia määriä ainesosia (joista tulee reagoivia aineita) ja yksi tai useampi tuote.

Jos analysoimme erikseen, kuinka monta kakkua voimme valmistaa kustakin saatavilla olevista ainesosista, saadaan erilaisia ​​mahdollisia kakkumääriä:

• Koska jokainen kakku vaatii vain 1 kupillisen maitoa, 5 kupillista maitoa voisimme tehdä 5 kakkua.
• 8 kupillista jauhoja riittää 4 kakun valmistukseen.
• Jokaisessa kakussa on 2 kupillista sokeria, joten kahdella kupilla voimme tehdä vain 2 kakkua.
• 20 munalla voisimme tehdä 5 kakkua, koska jokainen vaatii 4 munaa.

On selvää, että enimmäismäärä kakkuja, jotka voimme valmistaa tässä tapauksessa, on 2, koska meillä ei ole tarpeeksi sokeria valmistamaan 4, puhumattakaan 5 kakkua. Eli kun saamme valmiiksi toisen kakun valmistuksen, meiltä loppuu sokeri, joten emme voi jatkaa kakkujen valmistamista, vaikka meillä olisi paljon muita aineksia.

Tässä tapauksessa sokeri on ”rajoittava ainesosa” kakkutehtaallamme. Rajoitusreagenssin käsite ja tapa tunnistaa se on täsmälleen sama. Tämän jälkeen katsotaan kuinka rajoittava reaktantti lasketaan tai määritetään kemiallisessa reaktiossa.

Milloin meidän pitäisi määrittää, mikä on rajoittava reagenssi ja milloin ei?

Ennen kuin opimme määrittämään, mikä rajoittava reaktantti on, meidän on tiedettävä, missä tilanteissa se on tarpeen. Periaatteessa kaikki stoikiometriset laskelmat on suoritettava rajoittavasta reagenssista alkaen. Joissakin tilanteissa sitä ei kuitenkaan tarvitse määrittää joko siksi, että tiedetään jo etukäteen, mikä se on, tai koska käytettävissä olevien tietojen perusteella ei ole muuta ratkaisua kuin olettaa, mikä on rajoittava reaktantti.

Säännöt sille, pitäisikö meidän määrittää rajoittava reaktantti ennen stoikiometristen laskelmien aloittamista, ovat:

• Jos lähtöaineita on vain yksi, ei ole olemassa rajoittavaa lähtöainetta, joten sen määrittäminen ei ole välttämätöntä.
• Jos reagoimme reagoivaan aineeseen toisen ylimäärän läsnäollessa (koska esimerkiksi ongelman ilmaus osoittaa niin), niin ensimmäinen on rajoittava reaktantti, eikä sitä ole tarpeen määrittää.
• Siinä tapauksessa, että halutaan laskea, kuinka paljon tuotetta voidaan saada annetusta määrästä yhtä lähtöainetta, riippumatta siitä, osallistuuko reaktioon muita lähtöaineita, suoritamme laskelmat olettaen, että ensimmäinen lähtöaine on rajoittava lähtöaine ja että meillä on tarpeeksi kaikkia muita mukana olevia reagensseja.
• Toisaalta, jos kemiallinen reaktio sisältää kaksi tai useampia lähtöaineita ja meillä on kiinteät tai rajoitetut määrät kahta tai useampaa niistä, meidän on aina määritettävä, mikä on rajoittava reaktantti ennen muiden laskelmien suorittamista .

Menetelmät kemiallisen reaktion rajoittavan reagenssin määrittämiseksi

Rajoitusreagenssi on käsite, joka pelottaa monia kemian perusopiskelijoita, mutta sen ei tarvitse olla. Rajoitusreagenssiin liittyvät ongelmat on helppo tunnistaa ja ne voidaan ratkaista samalla tavalla. Kyse on vain nopean ja helpon tavan määrittää, mikä rajoittava reaktantti on, ja sitten käyttää sitä kaikissa stoikiometrisissa laskelmissa, jotka meidän on suoritettava.

Alla on kolme eri tapaa määrittää rajoittava reagenssi. Jotkut ovat intuitiivisempia ja muistuttavat kakkuesimerkkiä. Toiset ovat vähemmän intuitiivisia, mutta käytännöllisempiä ja helpompia käyttää, erityisesti monimutkaisissa reaktioissa, joissa on mukana monia lähtöaineita. Ajatuksena on, että tämän artikkelin loppuun mennessä olet oppinut määrittämään rajoittavan reagenssin missä tahansa tilanteessa ja että olet valinnut yhden kolmesta jokapäiväiseen käyttöön tarkoitetusta menetelmästä kaikissa stoikiometrisissa laskelmissa, jotka sinun on suoritettava tulevaisuutta.

Kolmen menetelmän selitys perustuu samaan alla olevaan ongelmaan, joka koskee kolmea reagenssia, joista meillä on tiettyjä tai rajoitettuja määriä.

Reaktantin laskentaongelma

Kun otetaan huomioon kaliumfosfaatin muodostumisreaktio:

Määritä tämän yhdisteen määrä, joka voi muodostua, jos 19,55 g kaliumia, 3,10 g fosforia ja 32,0 g happikaasua reagoivat. Tiedot: mukana olevien alkuaineiden suhteelliset atomimassat ovat: K:39,1; P: 31,0 ja 0:16,0.

Tapa 1: Menetelmä kuinka paljon minulla on? – kuinka paljon tarvitsen?

Koska meillä on rajalliset määrät kaikkia kolmea lähtöainetta, meidän on määritettävä, mikä on rajoittava reaktantti, ennen kuin suoritamme stoikiometrisiä laskelmia kaliumfosfaatin määrän saamiseksi. Ensimmäinen menetelmä, jota tarkastelemme, on määrittää, kuinka paljon kutakin lähtöainetta tarvitaan kuluttamaan kaikki muut lähtöaineet, ja sitten vertaa tätä tulosta siihen, kuinka paljon lähtöainetta meillä todellisuudessa on.

Jos laskennan aikana käy ilmi, että meillä on enemmän kuin mitä tarvitsemme, se on ylimääräinen reagenssi. Toisaalta, jos meillä on vähemmän kuin tarvitsemme reagoidaksemme muiden lähtöaineiden kanssa, se on rajoittava reagenssi, koska se ei riitä.

HUOMAA: On huomattava, että tällä menetelmällä voit verrata vain kahta reagenssia kerrallaan niiden välisen rajoittavan tekijän määrittämiseksi. Esillä olevan esimerkin kaltaisissa tapauksissa, joissa on enemmän kuin kaksi reagenssia, vertailu on suoritettava peräkkäin, kunnes määritetään, mikä on globaali rajoittava reagenssi. On myös huomattava, että laskelmat voidaan suorittaa massoina tai mooliina. Tässä tapauksessa se suoritetaan massalla, ja kahdessa seuraavassa menetelmässä laskelmat suoritetaan mooliina.

Menetelmä kuinka paljon minulla on? – kuinka paljon tarvitsen? Se koostuu seuraavista vaiheista:

Vaihe 1: Määritä kaikkien mukana olevien reagoivien aineiden moolimassat

Tässä tapauksessa moolimassat ovat:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

                MM02 = 2 x 16,0 _g /mol = 32,0 g/mol

Vaihe 2: Määritä kaikkien lähtöaineiden massat, jos niitä ei ole saatavilla.

Tässä tapauksessa tiedämme jo kaikkien reagoivien aineiden massat. Nämä ovat:

                mK = _{19,55 g}

                m _P = 3,10 g

                m02 = _{32,0 g}

Vaihe 3: Valitse kaksi mukana olevista reagensseista

Tässä tapauksessa aloitetaan kaliumista (K) ja fosforista (P), mutta lähtöaineiden valintajärjestys ei ole tärkeä.

Vaihe 4: Laske ensimmäisen määrä, joka reagoi tietyn toisen määrän kanssa.

Tässä vaiheessa suoritetaan ensimmäinen stoikiometrinen laskelma. Nämä ovat laskelmia hypoteettisista määristä, jotka tarvittaisiin kutakin reagenssia, jotta toinen kuluu kokonaan. Eli määritämme ensin, kuinka paljon kaliumia tarvitsemme kuluttaaksemme täysin 3,10 g fosforia, joka meillä on. Tämä laskenta suoritetaan yksinkertaisen stoikiometrisen suhteen avulla:

Tämä tulos tarkoittaa, että tarvitsemme 11,73 g kaliumia kuluttaaksemme täysin 3,10 g fosforia, joka meillä on.

Vaihe 5: Laske toisen määrä, joka reagoi annetun ensimmäisen määrän kanssa.

Tämä vaihe on päinvastainen kuin edellinen vaihe. Toisin sanoen laskemme fosforimäärän, jonka tarvitsemme kuluttaaksemme kokonaan kaiken meillä olevan kaliumin.

Tämä tulos tarkoittaa, että tarvitsemme 5,17 g fosforia kuluttaaksemme täysin 19,55 g kaliumia, joka meillä on.

Vaihe 6: Täytä Have/Need-taulukko ja valitse rajoittava ja ylimääräinen reagenssi

Tämä taulukko sisältää kaksi vertailemaamme reagoivaa ainetta, kummankin todelliset määrät, jotka meillä on, ja tarvittavat määrät, jotka määritimme juuri vaiheissa 4 ja 5. Lisäksi jotkut ihmiset lisäävät sarakkeen, jossa on ero sen välillä, mitä meillä on ja mitä meillä on. tarve, koska tämän eron etumerkkiä voidaan käyttää nopeasti määrittämään, mikä RL on, vaikka se on parempi määrittää loogisesti virheiden välttämiseksi.

Kuten näemme, kaliumin tapauksessa meillä on enemmän kuin tarvitsemme fosforin täydelliseen kulutukseen, minkä vuoksi kalium on ylimääräinen reagoiva aine. Tämä tarkoittaa automaattisesti, että näiden kahden reagenssin välillä fosfori on rajoittava reagenssi. Tämä voidaan päätellä myös analysoimalla tuloksia fosforin osalta. Kaiken kaliumin kulutukseen tarvitsisimme 5,17 g fosforia, mutta meillä on vain 3,10 g. Tämä tarkoittaa, että meillä oleva fosfori ei riitä kuluttamaan kaikkea kaliumia, joten se loppuu ensin, eli se on rajoittava reagenssi näiden kahden välillä.

Toinen helppo tapa määrittää rajoittava reagenssi lähes ajattelematta on valita se, jonka ero T – N on negatiivinen.

Tässä vaiheessa kutsumme fosforia osittaiseksi rajoittavaksi reagenssiksi, koska emme vielä tiedä, onko se edelleen rajoittava reagenssi, kun vertaamme sitä happeen. Siitä seuraavassa vaiheessa on kyse.

Vaihe 7: Toista vaiheet 4, 5 ja 6 edellisellä rajoittavalla reagenssilla ja toisella reagenssilla.

Koska päätimme, että fosfori on RL sen ja kaliumin välillä, meidän on nyt verrattava sitä kaikkiin muihin reaktioon osallistuviin lähtöaineisiin. Tässä tapauksessa sitä verrataan happeen. Tätä varten toistamme vaiheet 4, 5 ja 6, mutta käyttämällä P ja O ₂ .

Koska ei ole enää jäljellä reagensseja, joita emme ole vertailleet, päättelemme, että yleinen rajoittava reagenssi (tai yksinkertaisesti rajoittava reagenssi) on fosfori .

Menetelmä 2: Tuotteen laskenta

Tämä menetelmä perustuu samaan periaatteeseen kuin aiemmin näkemämme kakkuesimerkki. Se koostuu yksinkertaisesti sen saman tuotteen määrän määrittämisestä, joka voidaan saada kunkin lähtöaineen annetusta määrästä. Lopulta rajoittava reagenssi on se, joka tuottaa vähiten tätä tuotetta. Stökiometriset laskelmat voidaan suorittaa massoina tai mooliina. Ainoa asia, joka muuttuu, on moolimassojen käyttö laskelmissa käytetyissä stoikiometrisissä suhteissa. Koska edellinen menetelmä suoritettiin massoilla, toteutamme tämän menetelmän moolien avulla, mutta on muistettava, että sitä voidaan soveltaa myös massoihin.

Vaiheet ovat seuraavat:

Vaihe 1: Määritä kaikki reagoivien aineiden moolimassat.

Tämä on sama ensimmäinen vaihe kuin edellinen menetelmä, joten emme toista sitä tässä.

Vaihe 2: Määritä kaikkien reagoivien aineiden moolit, jos niitä ei ole saatavilla.

Tämä laskelma koostuu massojen jakamisesta vastaavilla moolimassoilla:

                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

Vaihe 3: Laske saman tuotteen moolit, jotka voidaan tuottaa kullakin reagoivalla aineella.

Käyttämällä stoikiometrisiä moolisuhteita, jotka saadaan suoraan tasapainotetusta kemiallisesta yhtälöstä, laskemme hypoteettiset moolit, jotka voisimme saada jokaisesta lähtöaineesta, jos se kulutettaisiin kokonaan:

Vaihe 4: Rajoitusreagenssi on se, joka tuottaa vähiten tuotetta.

Voimme tiivistää tekemämme laskelmat seuraavaan taulukkoon:

Kuten odotettiin, rajoittava reagenssi osoittautui jälleen fosforiksi.

Menetelmä 3: Stökiömetristen mittasuhteiden menetelmä

Tämä menetelmä koostuu stoikiometrisen osuuden määrittämisestä, jossa jokainen reagoiva aine löytyy suhteessa säädettyyn kemialliseen yhtälöön. Sitten määritelmän mukaan rajoittava reagenssi on se, jonka osuus on pienin. Tämä suhde määritetään jakamalla kunkin lähtöaineen moolimäärä sen stoikiometrisellä kertoimella.

Kaikista tämä on helpoin tapa käyttää, koska se voidaan tehdä hyvin nopeasti ja ilman paljon ajattelua. Kaksi ensimmäistä vaihetta ovat samat kuin edellisessä menetelmässä, ja jäljellä on vain lisätä stoikiometrisen suhteen laskenta:

Jälleen kerran, rajoittava reagenssi osoittautuu fosforiksi.

Viimeiset kommentit

Tässä esitetyt rajoittavan reagenssin määritysvaiheet on mukautettava vesiliuoksissa tapahtuviin reaktioihin, joissa käytetään liuoksen konsentraatioita ja tilavuuksia massojen tai moolien sijaan. Sama voidaan sanoa tapauksesta, jossa työskentelee kaasujen kanssa ja jolla on kaasun paine tai tilavuus. Joka tapauksessa ainoa asia, joka muuttuisi, olisi moolien tai massan laskentaprosessi, mutta kaikki muu pysyisi ennallaan.

Viitteet

Bolívar, G. (2019, 8. kesäkuuta). Rajoitus ja ylimääräinen reaktantti: kuinka se lasketaan ja esimerkkejä . elinikäinen. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Kemia (11. ^painos ). MCGRAW HILLIN KOULUTUS.

Rajoittavat reagenssiesimerkit . (nd). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Reaktioiden saannot. (2020, 30. lokakuuta). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822