Ограничивающий реагент

Химический реагент полностью израсходован после завершения реакции

Равные массы железа (Fe) и серы (S) реагируют, образуя сульфид железа (FeS), но из-за своего более высокого атомного веса железо является лимитирующим реагентом, и после того, как все железо израсходовано, некоторое количество серы остается непрореагировавшим.

Ограничивающий реагент ( или ограничивающий реагент или ограничивающий агент ) в химической реакции — это реагент , который полностью расходуется, когда химическая реакция завершается. ^{[1] [2]} Количество образующегося продукта ограничивается этим реагентом, поскольку реакция не может продолжаться без него. Если один или несколько других реагентов присутствуют в количествах, превышающих требуемые для реакции с ограничивающим реагентом, их называют избыточными реагентами или избыточными реагентами (иногда сокращенно «xs»), или находящимися в избытке . ^[3]

Для расчета процентного выхода реакции необходимо определить лимитирующий реагент, поскольку теоретический выход определяется как количество продукта, полученного при полной реакции лимитирующего реагента. Учитывая сбалансированное химическое уравнение , описывающее реакцию, существует несколько эквивалентных способов определения лимитирующего реагента и оценки избыточных количеств других реагентов.

Метод 1: Сравнение количеств реагентов

Этот метод наиболее полезен, когда есть только два реагента. Выбирается один реагент (A), и сбалансированное химическое уравнение используется для определения количества другого реагента (B), необходимого для реакции с A. Если количество фактически присутствующего B превышает требуемое, то B находится в избытке, а A является лимитирующим реагентом. Если количество присутствующего B меньше требуемого, то B является лимитирующим реагентом.

Пример для двух реагентов

Рассмотрим горение бензола , представленное следующим химическим уравнением :

${\displaystyle {\ce {2 C6H6(l) + 15 O2(g) -> 12 CO2(g) + 6 H2O(l)}}}$

Это означает, что для реакции с 2 молями бензола (C ₆ H ₆ ) требуется 15 моль молекулярного кислорода (O _{2 ).}

Количество кислорода, необходимое для других количеств бензола, можно рассчитать с помощью перекрестного умножения (правило трех). Например, если присутствует 1,5 моль C ₆ H ₆ , требуется 11,25 моль O _{2 :}

${\displaystyle 1.5\ {\ce {mol\,C6H6}}\times {\frac {15\ {\ce {mol\,O2}}}{2\ {\ce {mol\,C6H6}}}}=11.25\ {\ce {mol\,O2}}}$

Если фактически присутствует 18 моль O2 _, то при расходовании всего бензола будет избыток (18 - 11,25) = 6,75 моль непрореагировавшего кислорода. Тогда бензол является лимитирующим реагентом.

Этот вывод можно проверить, сравнив мольное соотношение O ₂ и C ₆ H _{6 ,} требуемое сбалансированным уравнением, с фактически имеющимся мольным соотношением:

• необходимый: ${\displaystyle {\frac {\ce {mol\,O2}}{\ce {mol\,C6H6}}}={\frac {15\ {\ce {mol\,O2}}}{2\ {\ce {mol\,C6H6}}}}=7.5\ {\ce {mol\,O2}}}$
• действительный: ${\displaystyle {\frac {\ce {mol\,O2}}{\ce {mol\,C6H6}}}={\frac {18\ {\ce {mol\,O2}}}{1.5\ {\ce {mol\,C6H6}}}}=12\ {\ce {mol\,O2}}}$

Поскольку фактическое соотношение больше требуемого, O ₂ является избытком реагента, что подтверждает, что бензол является лимитирующим реагентом.

Метод 2: Сравнение количеств продуктов, которые могут быть образованы из каждого реагента

В этом методе химическое уравнение используется для расчета количества одного продукта, который может быть образован из каждого реагента в данном количестве. Предельный реагент — это тот, который может образовать наименьшее количество рассматриваемого продукта. Этот метод может быть распространен на любое количество реагентов легче, чем первый метод.

Пример

20,0 г оксида железа (III) (Fe ₂ O ₃ ) реагируют с 8,00 г алюминия (Al) в следующей термитной реакции :

${\displaystyle {\ce {Fe2O3(s) + 2 Al(s) -> 2 Fe(l) + Al2O3(s)}}}$

Поскольку количества реагентов указаны в граммах, их необходимо сначала перевести в моли для сравнения с химическим уравнением, чтобы определить, сколько молей Fe можно получить из каждого реагента.

• Моль Fe, которое может быть получено из реагента Fe ₂ O ₃

  ${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {mol~Fe2O3}}&={\frac {\ce {grams~Fe2O3}}{\ce {g/mol~Fe2O3}}}\\&={\frac {20.0~{\ce {g}}}{159.7~{\ce {g/mol}}}}=0.125~{\ce {mol}}\end{aligned}}}$

  ${\displaystyle {\ce {mol~Fe}}=0.125\ {\ce {mol~Fe2O3}}\times {\frac {\ce {2~mol~Fe}}{\ce {1~mol~Fe2O3}}}=0.250~{\ce {mol~Fe}}}$

• Моль Fe, которое может быть получено из реагента Al

  ${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {mol~Al}}&={\frac {\ce {grams~Al}}{\ce {g/mol~Al}}}\\&={\frac {8.00~{\ce {g}}}{26.98~{\ce {g/mol}}}}=0.297~{\ce {mol}}\end{aligned}}}$

  ${\displaystyle {\ce {mol~Fe}}=0.297~{\ce {mol~Al}}\times {\frac {\ce {2~mol~Fe}}{\ce {2~mol~Al}}}=0.297~{\ce {mol~Fe}}}$

Al достаточно для получения 0,297 моль Fe, но Fe ₂ O ₃ достаточно только для получения 0,250 моль Fe. Это означает, что количество фактически произведенного Fe ограничено присутствующим Fe ₂ O ₃ , который, следовательно, является лимитирующим реагентом.

Ярлык

Из приведенного выше примера видно, что количество продукта (Fe), образующегося из каждого реагента X (Fe2O3 или _{Al ) ,} пропорционально количеству

${\displaystyle {\frac {\mbox{Moles of Reagent X }}{\mbox{Stoichiometric Coefficient of Reagent X}}}}$

Это предполагает сокращение, которое работает для любого количества реагентов. Просто вычислите эту формулу для каждого реагента, и реагент, который имеет наименьшее значение этой формулы, будет ограничивающим реагентом. Мы можем применить это сокращение в приведенном выше примере.

Смотрите также

• Ограничивающий фактор

Ссылки

1. Олмстед, Джон; Уильямс, Грегори М. (1997). Химия: Молекулярная наука. Jones & Bartlett Learning. стр. 163. ISBN  0815184506.
2. Zumdahl, Steven S. (2006). Химические принципы (4-е изд.). Нью-Йорк: Houghton Mifflin Company. ISBN 0-618-37206-7.
3. Мастертон, Уильям Л.; Херли, Сесиль Н. (2008). Химия: принципы и реакции (6-е изд.). Cengage Learning. ISBN 978-0-495-12671-3.