화학 반응의 제한 반응물을 계산하는 방법

화학 반응에서 제한 반응물(RL)은 화학양론적 비율이 가장 작은 반응물입니다 . 이것이 의미하는 바는 반응이 진행됨에 따라 먼저 소모되는 반응물에 해당한다는 것입니다. 이런 일이 발생하면 반응을 계속할 수 없으므로 소비할 수 있는 다른 반응물의 양이 제한되고 형성될 수 있는 제품의 양도 제한됩니다.

제한 반응물을 결정하는 것이 왜 중요합니까?

제한 시약은 완료되었을 때 반응에 효과적으로 참여할 수 있는 다른 모든 물질의 양을 결정하는 시약이라는 점에서 화학량론적 계산의 관점에서 가장 중요합니다. 사실, 모든 화학양론적 계산은 제한 반응물 또는 이를 기반으로 계산된 다른 양만을 기준으로 수행해야 합니다. 초과 계산 오류.

예를 들어 다음을 요구하는 케이크 레시피를 생각해 봅시다.

• 우유 1컵
• 밀가루 2 컵
• 설탕 1컵과
• 계란 4개.

이제 냉장고에

• 우유 5컵
• 밀가루 8컵
• 설탕 2컵,
• 계란 20개.

이 재료들로 얼마나 많은 케이크를 만들 수 있을까요?

이러한 유형의 문제는 레시피(균형 또는 균형 화학 방정식으로 제공)가 있는 화학 반응의 문제와 매우 유사하며 다양한 양의 성분(반응물이 됨) 및 하나 이상의 생성물을 가질 수 있습니다.

우리가 가진 각 재료로 준비할 수 있는 케이크 수를 개별적으로 분석하면 가능한 다른 양의 케이크를 얻을 수 있습니다.

• 각 케이크에는 우유 1컵만 있으면 되므로 우유 5컵으로 케이크 5개를 만들 수 있습니다.
• 밀가루 8컵이면 케이크 4개를 만들 수 있습니다.
• 각 케이크에는 2컵의 설탕이 있으므로 2컵으로 2개의 케이크만 만들 수 있습니다.
• 계란 20개로 케이크 5개를 만들 수 있습니다. 하나당 계란 4개가 필요하기 때문입니다.

이 경우 준비할 수 있는 최대 케이크 수는 2개임이 분명합니다. 케이크 5개는 고사하고 4개를 준비할 설탕이 충분하지 않기 때문입니다. 즉, 두 번째 케이크 준비를 마치면 설탕이 떨어지기 때문에 다른 재료가 많이 있어도 더 많은 케이크를 준비할 수 없습니다.

이 경우 설탕은 케이크 공장에서 “제한 성분”을 나타냅니다. 제한 시약의 개념과 이를 식별하는 방법은 정확히 동일합니다. 그렇다면 화학 반응에서 제한 반응물이 어떻게 계산되거나 결정되는지 살펴보겠습니다.

어떤 것이 제한 반응물인지 언제 결정해야 합니까?

제한 반응물이 무엇인지 결정하는 방법을 배우기 전에 어떤 상황에서 그렇게 해야 하는지 알아야 합니다. 원칙적으로 모든 화학양론적 계산은 제한 시약부터 시작하여 수행해야 합니다. 그러나 어떤 상황에서는 그것이 무엇인지 미리 알고 있거나 사용 가능한 정보로 제한 반응물이 무엇인지 가정하는 것 외에 다른 해결책이 없기 때문에 그것을 결정할 필요가 없습니다.

화학양론적 계산을 시작하기 전에 제한 반응물을 결정해야 하는지 여부에 대한 규칙은 다음과 같습니다.

• 반응물이 하나뿐이라면 제한 반응물이라는 개념이 없기 때문에 따로 정할 필요가 없다.
• 다른 반응물이 과잉인 상태에서 반응물을 반응시키는 경우(예를 들어 문제의 진술이 명시적으로 그렇게 나타내기 때문에) 첫 번째 반응물이 제한 반응물이 될 것이며 그것을 결정할 필요가 없습니다.
• 다른 반응물이 반응에 관여하는지 여부에 관계없이 주어진 양의 단일 반응물에서 얼마나 많은 생성물을 얻을 수 있는지 계산하려는 경우 첫 번째 반응물을 제한 반응물이라고 가정하고 다음을 가정하여 계산을 수행합니다. 우리는 관련된 다른 모든 시약을 충분히 가지고 있습니다.
• 반면에 화학 반응에 두 개 이상의 반응물이 포함되고 두 개 이상의 반응물이 고정되거나 제한된 양이 있는 경우 다른 계산을 수행하기 전에 항상 어떤 것이 제한 반응물인지 결정해야 합니다 .

화학 반응의 제한 시약을 결정하는 방법

제한 반응물은 많은 기초 화학 학생들을 겁주는 개념이지만 반드시 그럴 필요는 없습니다. 제한 시약과 관련된 문제는 인식하기 쉽고 모두 동일한 방식으로 해결할 수 있습니다. 제한 반응물이 무엇인지 결정하는 빠르고 쉬운 방법을 찾은 다음 수행해야 하는 모든 화학양론적 계산에 사용하는 것입니다.

다음은 제한 반응물을 결정하는 세 가지 방법입니다. 일부는 더 직관적이고 케이크 예와 유사합니다. 다른 것들은 덜 직관적이지만 특히 많은 반응물을 포함하는 복잡한 반응에서 더 실용적이고 사용하기 쉽습니다. 아이디어는 이 기사의 끝에서 어떤 상황에서든 제한 반응물을 결정하는 방법을 배웠고 수행해야 할 모든 화학양론적 계산에서 일상적으로 사용하는 세 가지 방법 중 하나를 선택했다는 것입니다. 미래.

세 가지 방법에 대한 설명은 아래에 설명된 것과 동일한 문제를 기반으로 하며 특정 또는 제한된 수량이 있는 세 가지 시약을 포함합니다.

제한 반응물 계산 문제

인산칼륨 형성에 대한 반응을 고려하면:

칼륨 19.55g, 인 3.10g 및 산소 기체 32.0g을 반응시키면 형성될 수 있는 이 화합물의 양을 구하십시오. 데이터: 관련된 원소의 상대적인 원자 질량은 다음과 같습니다: K:39.1; P:31.0 및 0:16.0.

방법 1: 방법은 얼마입니까? -얼마나 필요한가요?

우리는 세 가지 반응물의 양이 제한되어 있기 때문에 인산칼륨의 양을 얻기 위해 화학양론적 계산을 수행하기 전에 어느 것이 제한 반응물인지 결정해야 합니다. 우리가 살펴볼 첫 번째 방법은 다른 반응물을 완전히 소비하는 데 각 반응물이 얼마나 필요한지 결정한 다음 이 결과를 실제로 가지고 있는 반응물의 양과 비교하는 것입니다.

계산을 할 때 필요한 것보다 더 많은 것이 밝혀지면 초과 시약이 될 것입니다. 반면에 다른 반응물과 반응하는 데 필요한 것보다 적으면 충분하지 않기 때문에 제한 반응물이 됩니다.

참고: 이 방법을 사용하면 한 번에 두 개의 시약을 비교하여 두 시약 사이의 제한 요소를 결정할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 본 예와 같이 2개 이상의 시약을 포함하는 경우에는 어느 것이 전체 제한 시약인지 결정할 때까지 연속적으로 비교해야 한다. 계산은 질량 또는 몰 단위로 수행될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이 경우 질량 단위로 수행되며 다음 두 가지 방법에서는 계산이 몰 단위로 수행됩니다.

방법 나는 얼마나 가지고 있습니까? -얼마나 필요한가요? 다음 단계로 구성됩니다.

1단계: 관련된 모든 반응물의 몰 질량 결정

이 경우 몰 질량은 다음과 같습니다.

                MMK ₌ 39.1g/몰

                MM _P = 31.0g/몰

                MM _O2 = 2×16.0g/mol = 32.0g/mol

2단계: 사용할 수 없는 경우 모든 반응물의 질량을 결정합니다.

이 경우 우리는 이미 모든 반응물의 질량을 알고 있습니다. 이것들은:

                mK = _19.55g

                mP = _3.10g

                mO2 = _32.0g

3단계: 관련 시약 중 두 가지를 선택합니다.

이 경우 칼륨(K)과 인(P)부터 시작하지만 반응물을 선택하는 순서는 중요하지 않습니다.

4단계: 주어진 두 번째 양과 반응할 첫 번째 양을 계산합니다.

이 시점에서 우리는 첫 번째 화학양론적 계산을 수행할 것입니다. 이것은 다른 시약을 완전히 소비하기 위해 각 시약에 필요한 가상의 양을 계산한 것입니다. 즉, 먼저 우리가 가지고 있는 3.10g의 인을 완전히 소비하는 데 필요한 칼륨의 양을 결정합니다. 이 계산은 간단한 화학양론적 관계를 통해 수행됩니다.

이 결과는 우리가 가지고 있는 3.10g의 인을 완전히 소비하려면 11.73g의 칼륨이 필요하다는 것을 의미합니다.

5단계: 주어진 첫 번째 양과 반응할 두 번째 양을 계산합니다.

이 단계는 이전 단계와 반대입니다. 즉, 우리가 가지고 있는 모든 칼륨을 완전히 소비하는 데 필요한 인의 양을 계산할 것입니다.

이 결과는 우리가 가지고 있는 19.55g의 칼륨을 완전히 소비하려면 5.17g의 인이 필요하다는 것을 의미합니다.

6단계: Have/Need 표를 작성하고 제한 및 초과 시약을 선택합니다.

이 표에는 우리가 비교하고 있는 두 반응물, 각각의 실제 양, 4단계와 5단계에서 방금 결정한 필요한 양이 포함되어 있습니다. 오류를 피하기 위해 논리적으로 결정하는 것이 바람직하지만 이 차이의 부호를 사용하여 RL이 무엇인지 신속하게 결정할 수 있기 때문입니다.

보시다시피, 칼륨의 경우 인을 완전히 소비하는 데 필요한 것보다 더 많은 양이 있습니다. 이것이 바로 칼륨이 과잉 반응물인 이유입니다. 이것은 이 두 시약 사이에서 인이 제한 시약임을 자동으로 의미합니다. 이는 인에 대한 결과를 분석하여 추론할 수도 있습니다. 모든 칼륨을 섭취하려면 5.17g의 인이 필요하지만 3.10g만 있습니다. 이것은 우리가 가지고 있는 인이 모든 칼륨을 소비하기에 충분하지 않다는 것을 의미합니다.

거의 생각하지 않고 제한 시약을 결정하는 또 다른 쉬운 방법은 차이 T – N이 음수인 시약을 선택하는 것입니다.

이 시점에서 우리는 인을 부분 제한 반응물이라고 부릅니다. 왜냐하면 우리는 인을 산소와 비교할 때 여전히 제한 반응물이 될지 모르기 때문입니다. 그것이 다음 단계에 관한 것입니다.

7단계: 이전 제한 시약과 다른 시약으로 4, 5, 6단계를 반복합니다.

우리는 인이 인과 칼륨 사이의 RL이라고 결정했기 때문에 이제 반응에 관련된 다른 모든 반응물과 비교해야 합니다. 이 경우 산소와 비교하는 것이 포함됩니다. 이를 위해 4, 5, 6단계를 반복하지만 P와 O _2를 사용합니다 .

비교하지 않은 시약이 더 이상 남아 있지 않기 때문에 전체 제한 시약(또는 간단히 제한 시약)은 인이라는 결론을 내립니다 .

방법 2: 제품 계산

이 방법은 앞에서 본 파이 예제와 동일한 원리를 기반으로 합니다. 그것은 단순히 각 반응물의 주어진 양에서 얻을 수 있는 동일한 생성물의 양을 결정하는 것으로 구성됩니다. 결국 제한 반응물은 해당 제품의 최소량을 생성하는 것입니다. 화학양론적 계산은 질량 또는 몰 단위로 수행할 수 있습니다. 변경되는 유일한 것은 계산에 사용되는 화학양론적 비율에서 몰 질량을 사용하는 것입니다. 앞의 방법은 질량을 이용하여 진행하였기 때문에 이 방법은 몰을 이용하여 구현하겠지만, 질량에도 적용할 수 있음을 기억해두시기 바랍니다.

단계는 다음과 같습니다.

1단계: 반응물의 모든 몰 질량을 결정합니다.

이것은 이전 방법과 동일한 첫 번째 단계이므로 여기서는 반복하지 않습니다.

2단계: 사용할 수 없는 경우 모든 반응물의 몰수를 결정합니다.

이 계산은 질량을 각각의 몰 질량으로 나누는 것으로 구성됩니다.

                nK ₌ 19.55g / 39.1g/mol = 0.500몰

                nP ₌ 3.10g / 31.0g/mol = 0.100몰

                nO2 = 32.0g / 32.0g/mol = 1.00 _몰

3단계: 각 반응물로 생성될 수 있는 동일한 생성물의 몰수를 계산합니다.

균형 화학 반응식에서 직접 얻은 화학량론적 비율(몰)을 사용하여 각 반응물이 완전히 소비된 경우 얻을 수 있는 가상 몰을 계산합니다.

4단계: 제한 반응물은 최소량의 생성물을 생성하는 반응물이 됩니다.

우리가 만든 계산을 다음 표에 요약할 수 있습니다.

예상대로 제한 시약은 다시 인으로 판명되었습니다.

방법 3: 화학양론적 비율 방법

이 방법은 조정된 화학 반응식과 관련하여 각 반응물이 발견되는 화학양론적 비율을 결정하는 것으로 구성됩니다. 그런 다음 정의에 따라 제한 반응물은 가장 작은 비율을 가진 것입니다. 이 비율은 각 반응물의 몰수를 화학양론적 계수로 나누어 결정합니다.

무엇보다도 이 방법은 많은 생각 없이 매우 빠르게 수행할 수 있으므로 사용하기 가장 쉬운 방법입니다. 처음 두 단계는 이전 방법과 동일하며 남은 것은 화학양론적 비율의 계산을 추가하는 것입니다.

다시 한 번 제한 시약은 인으로 밝혀졌습니다.

최종 코멘트

여기에 제시된 제한 시약 결정 단계는 질량이나 몰 대신 용액의 농도와 부피가 사용되는 수용액 반응의 경우에 적용되어야 합니다. 기체로 작업하는 경우와 기체의 압력 또는 부피를 갖는 경우에 대해서도 마찬가지입니다. 어쨌든 변경되는 유일한 것은 몰 또는 질량을 계산하는 프로세스이지만 다른 모든 것은 동일하게 유지됩니다.

참조

Bolívar, G. (2019년 6월 8일). 제한 및 초과 반응물: 계산 방법 및 예 . 생명. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

장로(2021). 화학 (11 ^판 .). MCGRAW 힐 교육.

제한 시약 예 . (일차). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

반응 수율. (2020년 10월 30일). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822