Comment calculer le réactif limitant d’une réaction chimique

Dans une réaction chimique, le réactif limitant (RL) est le réactif qui se trouve dans la plus petite proportion stoechiométrique . Cela signifie qu’il correspond au réactif qui s’écoule en premier au fur et à mesure que la réaction progresse. Lorsque cela se produit, la réaction ne peut pas continuer, donc la quantité d’autres réactifs qui peuvent être consommés est limitée, ainsi que la quantité de produits qui peuvent être formés, d’où son nom.

Pourquoi est-il important de déterminer le réactif limitant ?

Etant donné que le réactif limitant est celui qui détermine, une fois terminé, les quantités de toutes les autres substances pouvant effectivement participer à la réaction, il est alors le plus important du point de vue des calculs stoechiométriques. En fait, tous les calculs stoechiométriques doivent être effectués uniquement sur le réactif limitant, ou sur une autre quantité qui a été calculée sur cette base, car le faire avec l’un des autres réactifs (appelés réactifs en excès), conduira à une erreur de calcul excessive.

A titre d’exemple, considérons une recette de gâteau qui demande :

• 1 tasse de lait
• 2 tasses de farine
• 1 tasse de sucre, et
• 4 œufs.

Supposons maintenant que dans le réfrigérateur nous ayons

• 5 tasses de lait
• 8 tasses de farine
• 2 tasses de sucre, et
• 20 oeufs.

Combien de gâteaux peut-on faire avec ces ingrédients ?

Ce type de problème est très similaire à celui d’une réaction chimique pour laquelle on a une recette (donnée par l’équation chimique équilibrée ou équilibrée), on peut avoir des quantités variables d’ingrédients (qui deviennent les réactifs), et un ou plusieurs produits.

Si nous analysons séparément combien de gâteaux nous pouvons préparer avec chacun des ingrédients dont nous disposons, nous obtiendrons différentes quantités possibles de gâteaux :

• Étant donné que chaque gâteau ne nécessite qu’une tasse de lait, avec 5 tasses de lait, nous pourrions faire 5 gâteaux.
• Les 8 tasses de farine suffisent pour préparer 4 gâteaux.
• Chaque gâteau contient 2 tasses de sucre, donc avec 2 tasses on ne peut faire que 2 gâteaux.
• Avec 20 œufs, nous pourrions faire 5 gâteaux, car chacun nécessite 4 œufs.

Il est évident que le nombre maximum de gâteaux que nous pouvons préparer dans ce cas est de 2, car nous n’avons pas assez de sucre pour préparer 4, et encore moins 5 gâteaux. Autrement dit, après avoir fini de préparer le deuxième gâteau, nous manquerons de sucre, nous ne pourrons donc pas continuer à préparer plus de gâteaux, même si nous avons beaucoup d’autres ingrédients.

Dans ce cas, le sucre représente « l’ingrédient limitant » de notre pâtisserie. Le concept de réactif limitant, ainsi que la manière de l’identifier, est exactement le même. Cela dit, voyons comment le réactif limitant est calculé ou déterminé dans une réaction chimique.

Quand doit-on déterminer quel est le réactif limitant et quand ne l’est-il pas ?

Avant d’apprendre à déterminer quel est le réactif limitant, il faut savoir dans quelles situations il est nécessaire de le faire. En principe, tous les calculs stoechiométriques doivent être effectués en partant du réactif limitant. Cependant, dans certaines situations, il n’est pas nécessaire de le déterminer soit parce que l’on sait déjà à l’avance de quoi il s’agit, soit parce que, avec les informations disponibles, il n’y a pas d’autre solution que de supposer quel est le réactif limitant.

Les règles pour savoir si on doit ou non déterminer le réactif limitant avant de commencer les calculs stoechiométriques sont :

• S’il n’y a qu’un seul réactif, il n’y a pas de concept de réactif limitant, il n’est donc pas nécessaire de le déterminer.
• Si on fait réagir un réactif en présence d’un excès d’un autre (parce que l’énoncé d’un problème l’indique explicitement, par exemple), alors le premier sera le réactif limitant et il n’est pas nécessaire de le déterminer.
• Dans le cas où nous voulons calculer combien de produit peut être obtenu à partir d’une quantité donnée d’un seul réactif, que d’autres réactifs soient impliqués dans la réaction, nous effectuons les calculs en supposant que le premier réactif est le réactif limitant et que nous avons assez de tous les autres réactifs impliqués.
• En revanche, si une réaction chimique implique deux ou plusieurs réactifs et que nous avons des quantités fixes ou limitées de deux ou plusieurs d’entre eux, il faut toujours déterminer quel est le réactif limitant avant d’effectuer les autres calculs .

Méthodes pour déterminer le réactif limitant d’une réaction chimique

Le réactif limitant est un concept qui effraie de nombreux étudiants en chimie de base, mais ce n’est pas obligatoire. Les problèmes impliquant le réactif limitant sont faciles à reconnaître et peuvent tous être résolus de la même manière. Il s’agit simplement de trouver un moyen simple et rapide de déterminer quel est le réactif limitant, puis de l’utiliser dans tous les calculs stœchiométriques que nous devons effectuer.

Vous trouverez ci-dessous trois façons différentes de déterminer le réactif limitant. Certains sont plus intuitifs et ressemblent à l’exemple du gâteau. D’autres sont moins intuitifs, mais plus pratiques et plus faciles à utiliser, notamment dans les réactions complexes impliquant de nombreux réactifs. L’idée est qu’à la fin de cet article, vous aurez appris à déterminer le réactif limitant dans n’importe quelle situation, et que vous aurez choisi l’une des trois méthodes d’usage courant dans tous les calculs stœchiométriques que vous devrez effectuer dans l’avenir.

L’explication des trois méthodes est basée sur le même problème qui est énoncé ci-dessous et qui implique trois réactifs dont nous avons des quantités certaines ou limitées.

Problème de calcul de réactif limitant

Étant donné la réaction de formation du phosphate de potassium :

Déterminez la quantité de ce composé qui pourrait se former si 19,55 g de potassium, 3,10 g de phosphore et 32,0 g d’oxygène gazeux réagissaient. Données : les masses atomiques relatives des éléments impliqués sont : K : 39,1 ; P:31.0 et 0:16.0.

Méthode 1 : La méthode combien ai-je ? – combien j’ai besoin?

Puisque nous avons des quantités limitées des trois réactifs, nous devons déterminer quel est le réactif limitant avant d’effectuer des calculs stoechiométriques pour obtenir la quantité de phosphate de potassium. La première méthode que nous allons examiner consiste à déterminer la quantité de chaque réactif nécessaire pour consommer pleinement les autres réactifs, puis à comparer ce résultat à la quantité de réactif que nous avons réellement.

Si lors du calcul, il s’avère que nous avons plus que ce dont nous avons besoin, alors ce sera le réactif en excès. En revanche, si nous avons moins que ce dont nous avons besoin pour réagir avec les autres réactifs, alors ce sera le réactif limitant car ce n’est pas suffisant.

REMARQUE : Il convient de noter que cette méthode vous permet uniquement de comparer deux réactifs à la fois pour déterminer le facteur limitant entre eux. Dans des cas comme le présent exemple, qui impliquent plus de deux réactifs, la comparaison doit être effectuée consécutivement jusqu’à déterminer quel est le réactif limitant global. Il convient également de noter que les calculs peuvent être effectués en termes de masses ou de moles. Dans ce cas, il sera effectué en masse, et dans les deux méthodes suivantes, les calculs seront effectués en moles.

La méthode combien ai-je? – combien j’ai besoin? Il se compose des étapes suivantes :

Étape 1 : Déterminer les masses molaires de tous les réactifs impliqués

Dans le cas présent, les masses molaires sont :

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Étape 2 : Déterminez les masses de tous les réactifs, si elles ne sont pas disponibles.

Dans ce cas, nous connaissons déjà les masses de tous les réactifs. Ceux-ci sont:

                mK = _19.55g

                m _P = 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Étape 3 : Sélectionnez deux des réactifs impliqués

Dans ce cas, nous commencerons par le potassium (K) et le phosphore (P), mais l’ordre dans lequel les réactifs sont choisis n’a pas d’importance.

Étape 4 : Calculez la quantité de la première qui réagirait avec la quantité donnée de la seconde.

À ce stade, nous allons effectuer le premier calcul stoechiométrique. Ce sont des calculs des quantités hypothétiques qui seraient nécessaires de chaque réactif pour consommer pleinement l’autre. C’est-à-dire que nous déterminerons tout d’abord la quantité de potassium dont nous aurions besoin pour consommer complètement les 3,10 g de phosphore dont nous disposons. Ce calcul est effectué au moyen d’une relation stoechiométrique simple :

Ce résultat signifie que nous avons besoin de 11,73 g de potassium pour consommer complètement les 3,10 g de phosphore dont nous disposons.

Étape 5 : Calculez la quantité de seconde qui réagirait avec la quantité donnée de première.

Cette étape est l’inverse de l’étape précédente. Autrement dit, nous calculerons la quantité de phosphore dont nous aurions besoin pour consommer complètement tout le potassium dont nous disposons.

Ce résultat signifie que nous avons besoin de 5,17 g de phosphore pour consommer complètement les 19,55 g de potassium dont nous disposons.

Étape 6 : Remplir un tableau Avoir/Besoin et choisir le réactif limitant et excédentaire

Ce tableau contient les deux réactifs que nous comparons, les quantités réelles de chacun que nous avons et les quantités nécessaires que nous venons de déterminer aux étapes 4 et 5. De plus, certaines personnes ajoutent une colonne avec la différence entre ce que nous avons et ce que nous besoin, puisque le signe de cette différence peut être utilisé pour déterminer rapidement ce qu’est le RL, bien qu’il soit préférable de le déterminer logiquement pour éviter les erreurs.

Comme nous pouvons le voir, dans le cas du potassium, nous avons plus que ce dont nous avons besoin pour consommer complètement le phosphore, c’est pourquoi le potassium est un réactif en excès. Cela implique automatiquement qu’entre ces deux réactifs, le phosphore est le réactif limitant. Cela peut également être déduit en analysant les résultats pour le phosphore. Pour consommer tout le potassium, il faudrait 5,17 g de phosphore, mais nous n’en avons que 3,10 g. Cela signifie que le phosphore dont nous disposons n’est pas suffisant pour consommer tout le potassium, il s’épuise donc en premier, c’est-à-dire qu’il est le réactif limitant entre les deux.

Un autre moyen facile de déterminer le réactif limitant presque sans réfléchir est de sélectionner celui dont la différence T – N est négative.

À ce stade, nous appelons le phosphore le réactif limitant partiel car nous ne savons pas encore s’il sera toujours le réactif limitant une fois que nous le comparerons à l’oxygène. C’est de cela qu’il s’agit à l’étape suivante.

Étape 7 : Répétez les étapes 4, 5 et 6 avec le réactif limitant précédent et un autre réactif.

Puisque nous avons déterminé que le phosphore est le RL entre lui et le potassium, nous devons maintenant le comparer à tous les autres réactifs impliqués dans la réaction. Dans ce cas, il s’agit de le comparer à l’oxygène. Pour ce faire, nous répétons les étapes 4, 5 et 6 mais en utilisant P et O ₂ .

Puisqu’il ne reste plus de réactifs que nous n’ayons pas comparés, nous concluons que le réactif limitant global (ou, simplement, le réactif limitant) est le phosphore .

Méthode 2 : Calcul d’un produit

Cette méthode est basée sur le même principe que l’exemple de tarte que nous avons vu précédemment. Elle consiste, simplement, à déterminer la quantité du même produit qui peut être obtenue à partir de la quantité donnée de chaque réactif. Au final, le réactif limitant est celui qui produit le moins de ce produit. Les calculs stoechiométriques peuvent être effectués en masses ou en moles. La seule chose qui change est l’utilisation des masses molaires dans les rapports stoechiométriques qui sont utilisés dans les calculs. La méthode précédente étant réalisée à l’aide de masses, nous allons implémenter cette méthode à l’aide de taupes, mais il convient de rappeler qu’elle peut également s’appliquer aux masses.

Les étapes sont les suivantes :

Étape 1 : Déterminer toutes les masses molaires des réactifs.

Il s’agit de la même première étape que la méthode précédente, nous ne la répéterons donc pas ici.

Étape 2 : Déterminez les moles de tous les réactifs, si elles ne sont pas disponibles.

Ce calcul consiste à diviser les masses par les masses molaires respectives :

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

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

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

Étape 3 : Calculez les moles du même produit qui peuvent être produites avec chaque réactif.

En utilisant les rapports stoechiométriques en moles, qui sont obtenus directement à partir de l’équation chimique équilibrée, nous calculons les moles hypothétiques que nous pourrions obtenir de chaque réactif s’il était complètement consommé :

Étape 4 : Le réactif limitant sera celui qui produit le moins de produit.

Nous pouvons résumer les calculs que nous avons effectués dans le tableau suivant :

Comme prévu, le réactif limitant s’est avéré être à nouveau du phosphore.

Méthode 3 : Méthode des proportions stoechiométriques

Cette méthode consiste à déterminer la proportion stoechiométrique dans laquelle se trouve chaque réactif par rapport à l’équation chimique ajustée. Alors, par définition, le réactif limitant est celui dont la proportion est la plus faible. Ce rapport est déterminé en divisant le nombre de moles de chaque réactif par son coefficient stoechiométrique.

De toutes, c’est la méthode la plus simple à utiliser, car elle peut être effectuée très rapidement et sans trop de réflexion. Les deux premières étapes sont les mêmes que celles de la méthode précédente, il ne reste plus qu’à ajouter le calcul du rapport stoechiométrique :

Là encore, le réactif limitant s’avère être le phosphore.

Commentaires finaux

Les étapes de détermination du réactif limitant présentées ici doivent être adaptées dans le cas de réactions en solutions aqueuses où les concentrations et les volumes de solution sont utilisés à la place des masses ou des moles. On peut en dire autant du cas où l’on travaille avec des gaz et on a la pression ou le volume d’un gaz. Dans tous les cas, la seule chose qui changerait serait le processus de calcul des moles ou de la masse, mais tout le reste resterait le même.

Les références

Bolívar, G. (2019, 8 juin). Limitation et excès de réactif : comment c’est calculé et exemples . condamné à perpétuité. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Chimie (11e ^éd .). ÉDUCATION DE MCGRAW HILL.

Exemples de réactifs limitants . (sd). Quimicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemlos-de-reactivo-limitante.html

Les rendements des réactions. (2020, 30 octobre). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822