Ограничивающий реагент

Ограничивающий реагент (или ограничивающий реагент или ограничивающий агент ) в химической реакции — это реагент , который полностью расходуется после завершения химической реакции. ^[1]^[2] Количество образующегося продукта ограничено этим реагентом, так как без него реакция продолжаться не может. Если один или несколько других реагентов присутствуют в количествах, превышающих количества, необходимые для реакции с ограничивающим реагентом, их называют избыточными реагентами или избыточными реагентами (иногда сокращенно «xs») или «находящимися в избытке» . ^[3]

Чтобы рассчитать процентный выход реакции, необходимо идентифицировать лимитирующий реагент, поскольку теоретический выход определяется как количество продукта, полученного при полной реакции лимитирующего реагента. Учитывая сбалансированное химическое уравнение , описывающее реакцию, существует несколько равноценных способов определить лимитирующий реагент и оценить избыточные количества других реагентов.

Метод 1: Сравнение количеств реагентов

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

Пример для двух реагентов

Рассмотрим горение бензола : представленное следующим химическим уравнением ,

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

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

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

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

Если действительно присутствует 18 моль О ₂ , то при израсходовании всего бензола будет избыток (18 – 11,25) = 6,75 моль непрореагировавшего кислорода. В этом случае лимитирующим реагентом является бензол.

Этот вывод можно проверить, сравнив мольное соотношение O ₂ и C ₆ H _{6 ,} необходимое для сбалансированного уравнения, с фактически присутствующим мольным соотношением:

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

Поскольку фактическое соотношение больше требуемого, O ₂ является реагентом в избытке, что подтверждает, что бензол является лимитирующим реагентом.

Метод 2: Сравнение количеств продуктов, которые могут образоваться из каждого реагента.

В этом методе химическое уравнение используется для расчета количества одного продукта, который может образоваться из каждого реагента в присутствующем количестве. Лимитирующим реагентом является тот, который может образовать наименьшее количество рассматриваемого продукта. Этот метод легче распространить на любое количество реагентов, чем первый метод.

Пример

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

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

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

Моли Fe, которое можно получить из реагента Fe ₂ O ₃
${\begin{aligned}{\ce {mol~Fe2O3}}&={\frac {\ce {grams~Fe2O3}}{\ce {g/mol~Fe2O3}}}\\&={\frac {20.0~{\ce {g}}}{159.7~{\ce {g/mol}}}}=0.125~{\ce {mol}}\end{aligned}}$
${\ce {mol~Fe}}=0.125\ {\ce {mol~Fe2O3}}\times {\frac {\ce {2~mol~Fe}}{\ce {1~mol~Fe2O3}}}=0.250~{\ce {mol~Fe}}$
Моли Fe, которое можно получить из реагента Al
${\begin{aligned}{\ce {mol~Al}}&={\frac {\ce {grams~Al}}{\ce {g/mol~Al}}}\\&={\frac {8.00~{\ce {g}}}{26.98~{\ce {g/mol}}}}=0.297~{\ce {mol}}\end{aligned}}$
${\ce {mol~Fe}}=0.297~{\ce {mol~Al}}\times {\frac {\ce {2~mol~Fe}}{\ce {2~mol~Al}}}=0.297~{\ce {mol~Fe}}$

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

Ярлык

Из примера выше видно, что количество продукта (Fe), образовавшегося из каждого реагента X (Fe ₂ O ₃ или Al), пропорционально количеству

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

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

См. также

Ограничивающий фактор

Ссылки

^ Олмстед, Джон; Уильямс, Грегори М. (1997). Химия: молекулярная наука . Джонс и Бартлетт Обучение. п. 163. ИСБН 0815184506 .
^ Зумдал, Стивен С. (2006). Химические принципы (4-е изд.). Нью-Йорк: Компания Houghton Mifflin. ISBN 0-618-37206-7 .
^ Мастертон, Уильям Л.; Херли, Сесиль Н. (2008). Химия: принципы и реакции (6-е изд.). Cengage Обучение. ISBN 978-0-495-12671-3 .

[1] Олмстед, Джон; Уильямс, Грегори М. (1997). Химия: молекулярная наука . Джонс и Бартлетт Обучение. п. 163. ИСБН 0815184506 .

[2] Зумдал, Стивен С. (2006). Химические принципы (4-е изд.). Нью-Йорк: Компания Houghton Mifflin. ISBN 0-618-37206-7 .

[3] Мастертон, Уильям Л.; Херли, Сесиль Н. (2008). Химия: принципы и реакции (6-е изд.). Cengage Обучение. ISBN 978-0-495-12671-3 .

[1]

[2]

[3]