Cum se calculează reactantul limitator al unei reacții chimice

Într-o reacție chimică, reactantul limitator (RL) este reactantul care se află în cea mai mică proporție stoechiometrică . Acest lucru înseamnă că acesta corespunde reactantului care se epuizează primul pe măsură ce reacția progresează. Când se întâmplă acest lucru, reacția nu poate continua, astfel încât cantitatea de alți reactanți care pot fi consumați este limitată, precum și cantitatea de produse care se pot forma, de unde și numele.

De ce este important să se determine reactantul limitator?

Având în vedere faptul că reactivul limitator este cel care determină, la terminare, cantitățile tuturor celorlalte substanțe care pot participa efectiv la reacție, acesta este atunci cel mai important din punct de vedere al calculelor stoichiometrice. De fapt, toate calculele stoichiometrice trebuie efectuate numai pe baza reactantului limitator sau a unei alte cantități care a fost calculată pe baza acestuia, deoarece efectuarea acesteia cu oricare dintre ceilalți reactanți (care se numesc reactanți în exces), va duce la o eroare de calcul în exces.

De exemplu, să luăm în considerare o rețetă pentru un tort care necesită:

• 1 cană de lapte
• 2 căni de făină
• 1 cană de zahăr și
• 4 ouă.

Acum să presupunem că avem în frigider

• 5 căni de lapte
• 8 căni de făină
• 2 căni de zahăr și
• 20 de ouă.

Câte prăjituri putem face cu aceste ingrediente?

Acest tip de problemă este foarte asemănătoare cu cea a unei reacții chimice pentru care avem o rețetă (dată de ecuația chimică echilibrată sau echilibrată), putem avea cantități variabile de ingrediente (care devin reactanții), și unul sau mai mulți produse.

Dacă analizăm separat câte prăjituri putem pregăti cu fiecare dintre ingredientele pe care le avem, vom obține diferite cantități posibile de prăjituri:

• Deoarece fiecare prăjitură necesită doar 1 cană de lapte, cu 5 căni de lapte am putea face 5 prăjituri.
• Cele 8 căni de făină sunt suficiente pentru a pregăti 4 prăjituri.
• Fiecare prajitura are 2 cani de zahar, asa ca cu 2 cani putem face doar 2 prajituri.
• Cu 20 de oua am putea face 5 prajituri, pentru ca fiecare necesita 4 oua.

Este evident că numărul maxim de prăjituri pe care le putem pregăti în acest caz este de 2, întrucât nu avem suficient zahăr pentru a pregăti 4, darămite 5 prăjituri. Adică după ce terminăm de pregătit a doua prăjitură, vom rămâne fără zahăr, așa că nu vom putea continua să pregătim mai multe prăjituri, chiar dacă avem din belșug celelalte ingrediente.

În acest caz, zahărul reprezintă „ingredientul limitativ” în fabrica noastră de prăjituri. Conceptul de reactiv limitator, precum și modul de identificare al acestuia, este exact același. Acestea fiind spuse, să vedem cum este calculat sau determinat reactantul limitator într-o reacție chimică.

Când ar trebui să stabilim care este reactantul limitator și când nu?

Înainte de a învăța cum să determinăm care este reactantul limitator, trebuie să știm în ce situații este necesar să facem acest lucru. În principiu, toate calculele stoichiometrice trebuie efectuate începând cu reactivul limitator. Totuși, în unele situații nu este necesară determinarea acestuia fie pentru că se știe deja dinainte ce este, fie pentru că, cu informațiile disponibile, nu există altă soluție decât să presupunem care este reactantul limitator.

Regulile pentru stabilirea sau nu a reactantului limitator înainte de a începe calculele stoichiometrice sunt:

• Dacă există un singur reactant, nu există conceptul de reactant limitator, deci nu este necesară determinarea acestuia.
• Dacă reacționăm un reactant în prezența unui exces al altuia (deoarece enunțul unei probleme indică în mod explicit așa, de exemplu), atunci primul va fi reactantul limitator și nu este necesar să-l determinăm.
• În cazul în care dorim să calculăm cât de mult produs se poate obține dintr-o anumită cantitate dintr-un singur reactant, indiferent dacă în reacție sunt implicați și alți reactanți, efectuăm calculele presupunând că primul este reactantul limitator și că au suficient de toți ceilalți reactivi implicați.
• Pe de altă parte, dacă o reacție chimică implică doi sau mai mulți reactanți și avem cantități fixe sau limitate de doi sau mai mulți dintre ei, trebuie întotdeauna să stabilim care este reactantul limitator înainte de a efectua celelalte calcule .

Metode de determinare a reactivului limitator al unei reacții chimice

Reactivul limitator este un concept care îi sperie pe mulți studenți la chimie de bază, dar nu trebuie să fie. Problemele care implică reactivul limitator sunt ușor de recunoscut și pot fi rezolvate toate în același mod. Este vorba doar de a găsi o modalitate rapidă și ușoară de a determina care este reactantul limitator și apoi de a-l folosi în toate calculele stoichiometrice pe care trebuie să le efectuăm.

Mai jos sunt trei moduri diferite de a determina reactantul limitator. Unele sunt mai intuitive și sunt similare cu exemplul de tort. Altele sunt mai puțin intuitive, dar sunt mai practice și mai ușor de utilizat, mai ales în reacții complexe care implică mulți reactanți. Ideea este că, până la sfârșitul acestui articol, veți fi învățat cum să determinați reactantul limitator în orice situație și că ați ales una dintre cele trei metode de utilizare zilnică în toate calculele stoichiometrice pe care va trebui să le efectuați în viitorul.

Explicația celor trei metode se bazează pe aceeași problemă care este enunțată mai jos și care implică trei reactivi din care avem cantități certe sau limitate.

Problemă de calculare a reactanților de limitare

Având în vedere reacția de formare a fosfatului de potasiu:

Determinați cantitatea din acest compus care s-ar putea forma dacă reacționează 19,55 g de potasiu, 3,10 g de fosfor și 32,0 g de oxigen gazos. Date: masele atomice relative ale elementelor implicate sunt: ​​K:39,1; P:31,0 și 0:16,0.

Metoda 1: Metoda cât de mult am? – de cât am nevoie?

Deoarece avem cantități limitate din toți cei trei reactanți, trebuie să stabilim care este reactantul limitator înainte de a efectua calcule stoechiometrice pentru a obține cantitatea de fosfat de potasiu. Prima metodă la care ne vom uita este de a determina cât de mult din fiecare reactant este necesară pentru a consuma pe deplin ceilalți reactanți și apoi să comparăm acest rezultat cu cât de mult din reactant avem de fapt.

Dacă la efectuarea calculului se dovedește că avem mai mult decât ne trebuie, atunci acesta va fi reactivul în exces. Pe de altă parte, dacă avem mai puțin decât trebuie să reacționăm cu ceilalți reactanți, atunci acesta va fi reactantul limitator, deoarece nu este suficient.

NOTĂ: Trebuie remarcat faptul că această metodă vă permite doar să comparați doi reactivi la un moment dat pentru a determina factorul limitator dintre ei. În cazuri precum exemplul de față, care implică mai mult de doi reactivi, comparația trebuie efectuată consecutiv până la determinarea care este reactivul limitator global. De asemenea, trebuie remarcat faptul că calculele pot fi efectuate în termeni de mase sau moli. În acest caz, se va efectua în masă, iar în următoarele două metode calculele vor fi efectuate în moli.

Metoda cat am? – de cât am nevoie? Acesta constă din următorii pași:

Pasul 1: Determinați masele molare ale tuturor reactanților implicați

În cazul de față, masele molare sunt:

                MMK ₌ 39,1 g/mol

                MM _P = 31,0 g/mol

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

Pasul 2: Determinați masele tuturor reactanților, dacă nu sunt disponibili.

În acest caz, știm deja masele tuturor reactanților. Acestea sunt:

                mK = _{19,55 g}

                mP ₌ 3,10 g

                mO2 = _{32,0 g}

Pasul 3: Selectați doi dintre reactivii implicați

În acest caz, vom începe cu potasiu (K) și fosfor (P), dar ordinea în care sunt aleși reactanții nu este importantă.

Pasul 4: Calculați cantitatea din primul care ar reacționa cu cantitatea dată din al doilea.

În acest moment vom efectua primul calcul stoichiometric. Acestea sunt calcule ale cantităților ipotetice care ar fi necesare fiecărui reactiv pentru a-l consuma pe deplin pe celălalt. Adică vom stabili, în primul rând, de cât potasiu am avea nevoie pentru a consuma complet cele 3,10 g de fosfor pe care le avem. Acest calcul se realizează prin intermediul unei relații stoichiometrice simple:

Acest rezultat înseamnă că avem nevoie de 11,73 g de potasiu pentru a consuma complet cele 3,10 g de fosfor pe care le avem.

Pasul 5: Calculați cantitatea de secundă care ar reacționa cu cantitatea dată de primul.

Acest pas este opusul pasului precedent. Adică vom calcula cantitatea de fosfor de care am avea nevoie pentru a consuma complet tot potasiul pe care îl avem.

Acest rezultat înseamnă că avem nevoie de 5,17 g de fosfor pentru a consuma complet cele 19,55 g de potasiu pe care le avem.

Pasul 6: Completați un tabel Ave/Nevoie și alegeți reactivul de limitare și excesul

Acest tabel conține cei doi reactanți pe care îi comparăm, cantitățile reale ale fiecăruia pe care le avem și cantitățile necesare pe care tocmai le-am determinat la pașii 4 și 5. În plus, unii oameni adaugă o coloană cu diferența dintre ceea ce avem și ceea ce avem. nevoie, deoarece semnul acestei diferențe poate fi folosit pentru a determina rapid care este RL-ul, deși este de preferat să-l determinăm logic pentru a evita erorile.

După cum vedem, în cazul potasiului avem mai mult decât avem nevoie pentru a consuma complet fosfor, motiv pentru care potasiul este un reactant în exces. Acest lucru implică automat că, între acești doi reactivi, fosforul este reactivul limitator. Acest lucru poate fi dedus și analizând rezultatele pentru fosfor. Pentru a consuma tot potasiul, am avea nevoie de 5,17 g de fosfor, dar avem doar 3,10 g. Asta înseamnă că fosforul pe care îl avem nu este suficient pentru a consuma tot potasiul, așa că se epuizează primul, adică este reactantul limitator între cei doi.

O altă modalitate ușoară de a determina reactivul limitator aproape fără să ne gândim este prin selectarea celui a cărui diferență T – N este negativă.

În acest moment, numim fosforul reactant limitator parțial, deoarece nu știm încă dacă va fi încă reactantul limitator odată ce îl comparăm cu oxigenul. Despre asta este următorul pas.

Pasul 7: Repetați pașii 4, 5 și 6 cu reactivul limitator anterior și un alt reactiv.

Deoarece am stabilit că fosforul este RL între el și potasiu, acum trebuie să-l comparăm cu toți ceilalți reactanți implicați în reacție. În acest caz, aceasta implică compararea acestuia cu oxigenul. Pentru a face acest lucru, repetăm ​​pașii 4, 5 și 6, dar folosind P și O ₂ .

Deoarece nu au mai rămas reactivi pe care să nu i-am comparat, concluzionăm că reactivul limitator global (sau, pur și simplu, reactivul limitator) este fosforul .

Metoda 2: Calculul unui produs

Această metodă se bazează pe același principiu ca exemplul de plăcintă pe care l-am văzut mai devreme. Constă, pur și simplu, în determinarea cantității din același produs care poate fi obținută din cantitatea dată din fiecare reactant. În final, reactantul limitator este cel care produce cea mai mică cantitate din respectivul produs. Calculele stoichiometrice pot fi efectuate în mase sau în moli. Singurul lucru care se schimbă este utilizarea maselor molare în rapoartele stoichiometrice care sunt utilizate în calcule. Deoarece metoda anterioară a fost efectuată folosind mase, vom implementa această metodă folosind alunițe, dar trebuie amintit că poate fi aplicată și la mase.

Pașii sunt următorii:

Pasul 1: Determinați toate masele molare ale reactanților.

Acesta este același prim pas ca metoda anterioară, așa că nu îl vom repeta aici.

Pasul 2: Determinați molii tuturor reactanților, dacă nu sunt disponibili.

Acest calcul constă în împărțirea maselor la masele molare respective:

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

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

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

Pasul 3: Calculați molii aceluiași produs care pot fi produși cu fiecare reactant.

Folosind rapoartele stoichiometrice în moli, care se obțin direct din ecuația chimică echilibrată, calculăm molii ipotetici pe care i-am putea obține din fiecare reactant dacă ar fi consumat complet:

Pasul 4: Reactivul limitator va fi cel care produce cea mai mică cantitate de produs.

Putem rezuma calculele pe care le-am făcut în următorul tabel:

După cum era de așteptat, reactivul limitator s-a dovedit a fi din nou fosfor.

Metoda 3: Metoda proporțiilor stoichiometrice

Această metodă constă în determinarea proporției stoichiometrice în care se găsește fiecare reactant în raport cu ecuația chimică ajustată. Apoi, prin definiție, reactantul limitator este cel cu cea mai mică proporție. Acest raport este determinat prin împărțirea numărului de moli ai fiecărui reactant la coeficientul său stoechiometric.

Dintre toate, aceasta este cea mai ușoară metodă de utilizat, deoarece se poate face foarte repede și fără prea multă gândire. Primii doi pași sunt aceiași cu cei din metoda anterioară și tot ce rămâne este să adăugați calculul raportului stoichiometric:

Încă o dată, reactivul limitator se dovedește a fi fosfor.

Comentarii finale

Etapele de determinare a reactivului limitator prezentate aici trebuie adaptate în cazul reacțiilor în soluții apoase în care se folosesc concentrații și volume de soluție în loc de mase sau moli. Același lucru se poate spune și în cazul în care se lucrează cu gaze și se are presiunea sau volumul unui gaz. În orice caz, singurul lucru care s-ar schimba ar fi procesul de calcul al molilor sau al masei, dar totul în rest ar rămâne la fel.

Referințe

Bolívar, G. (2019, 8 iunie). Limitarea și excesul de reactant: cum se calculează și exemple . pe viaţă. https://www.lifeder.com/reactivo-limitante-en-exceso/

Chang, R. (2021). Chimie ( ^ed . a 11-a). MCGRAW HILL EDUCAȚIE.

Exemple de reactivi limitatori . (nd). Químicas.net. https://www.quimicas.net/2015/10/ejemplos-de-reactivo-limitante.html

Randamentele reacțiilor. (2020, 30 octombrie). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822