4.2: المادة المحدِّدة للتفاعل

غالباً ما يُشار إلى الكميات النسبية من المواد المتفاعلة والنواتج الممثَّلة في معادلة كيميائية متوازنة على أنها كمّيات العناصر المتفاعلة. مع ذلك، في الواقع، لا تكون كميات العناصر المتفاعلة موجودة دائمًا بشكل مطابق لما هو مشار إليه في المعادلة المتوازنة.

في التفاعل الكيميائي، تكون المادة المتفاعلة التي يتم استهلاكها أولاً، وبذلك تحد من كمية المنتج الذي تم تكوّنه، هي المادة المحدِّدة للتفاعل، بينما تصبح المادة الأخرى المادة المتفاعلة الزائدة. غالباً ما يتم استخدام فائض من مادة متفاعلة أو أكثر لضمان التحويل الكامل للمادة المتفاعلة الأخرى إلى المنتج.

ضع في اعتبارك تفاعل تكوّن الماء الذي تمثله المعادلة:

توضح المعادلة المتوازنة تفاعل الهيدروجين والأكسجين بنسبة 2:1 للكمية. إذا تم توفير المواد المتفاعلة هذه بأي كميات أخرى، فسيتم استهلاك أحد المواد المتفاعلة بالكامل تقريبًا، مما يحد من كمية المنتج التي قد يتم توليدها. هذه المادة هي المادة المحدِّدة للتفاعل، والمادة الأخرى هي المادة المتفاعلة الزائدة. يتطلب تحديد المواد المتفاعلة المحدِّدة والزائدة لحالة معينة حساب الكميات المولية لكل مادة متفاعلة ومقارنتها بمقاييس العناصر المتفاعلة الممثلة في المعادلة الكيميائية الموزونة.  

يشير القياس الكيميائي إلى أن مولين من الهيدروجين ومول واحد من الأكسجين يتفاعلان لإنتاج مولين من الماء؛ أي أن الهيدروجين والأكسجين يتحدان بنسبة 2:1. تخيل وجود 5 مولات من الهيدروجين و 2 مول من الأكسجين. تبلغ نسبة المواد المتفاعلة الآن 5:2 (أو 2.5:1)، وهي أكبر من النسبة المئوية لمقياس العناصر المتفاعلة 2:1. وبالتالي، فإن الهيدروجين موجود بكمية زائدة، والأكسجين هو المادة المحدِّدة للتفاعل. إن تفاعل كل الأكسجين المتوفر (2 مول) يستهلك 4 مول من الـ 5 مول من الهيدروجين المتوفر، مما يترك 1 مول من الهيدروجين دون تفاعل. يمثل حساب الكميات المولية لكل مادة متفاعلة مقدمة ومقارنتها بمقاييس العناصر المتفاعلة المتكافئة الممثلة في المعادلة الكيميائية المتوازنة إحدى طرق تحديد المادة المتفاعلة المحدِّدة والزائدة.

يتضمّن النهج البديل حساب كمية المنتج المتكون من مولات كل مادة متفاعلة، وفقاً لحساب العناصر المتفاعلة’s ، ثم مقارنة الكميات. المادة المتفاعلة التي تنتج كمية أقل من مولات المنتج هي المادة المحدِّدة للتفاعل. على سبيل المثال، ينتج التفاعل الكامل لخمسة مولات من الهيدروجين:

وبالمثل، فإن التفاعل الكامل لمولين من الأكسجين قد ينتج:

ينتج الأكسجين كميات أقل من مولات الماء، وبالتالي، فإن الأكسجين هو المادة المحدِّدة للتفاعل. سيتم استهلاك الأكسجين بالكامل بمجرد إنتاج 4 مولات من H2O. إن الحسابات الكيميائية بين الهيدروجين والأكسجين هي 2:1، وهناك حاجة إلى أربعة مولات من الهيدروجين للتفاعل مع مولات من الأكسجين.  

وبالتالي، (5 mol H2 − 4 mol H2 = 1 mol H2)، تبقى مول واحد من الهيدروجين غير المتفاعل بمجرد اكتمال هذا التفاعل.  

هذا النص مقتبس من OpenStax, Chemistry 2e, Section 4.4: Reaction Yield.

في تفاعل كيميائي،المتفاعلات تتفاعل مع بعضها البعض لتشكيل النواتج. المتفاعل الذي يتم استهلاكه بالكامل هو المتفاعل المحدد،والمتفاعل الموجود بكمية أكبر من اللازم للتفاعل بشكل كامل مع المتفاعل المحدد هو المتفاعل الزائد. القياس الوصفي مفيد لفهم هذه المفاهيم.

هنا،كوب من الدقيق،2 بيضة،3 ملاعق كبيرة من السكر تصنع خمس فطائر. إذا كان هناك 3 أكواب طحين،4 بيضات،و 8 ملاعق كبيرة من السكر،كم عدد الفطائر التي يمكن صنعها؟يوجد طحين يكفي لصنع 15 فطيرة وسكر كافٍلعمل 13 1/3 فطيرة. ومع ذلك،يوجد فقط ما يكفي من البيض لـ 10 فطائر.

هنا،البيض هو المتفاعل المحدد لأنه يصنع أقل كمية من الفطائر. بينما الدقيق والسكر فائضون. الآن،ضع في اعتبارك تفاعل الاحتراق بين الميثان والأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون و الماء.

فلنتذكر أن معاملات المعادلة المتوازنة تمثل مقادير العناصر المتكافئة للمتفاعلات والنواتج. لذلك،نسبة المول المتكافئ من الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون هو واحد إلى واحد،والأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون هو اثنان إلى واحد. على إفتراض أن هناك 80 جرامًا من الميثان و 128 جرام من الأكسجين.

ما هو المتفاعل المحدد،وكم سيتكون من ثاني أكسيد الكربون؟أولاًكتل المواد المتفاعلة يجب تحويلها إلى مولات باستخدام كتلها المولية. بشكل متكافئ،5 مولات الميثان تنتج 5 مولات من ثاني أكسيد الكربون،بينما تنتج 4 مولات من الأكسجين مولين فقط من ثاني أكسيد الكربون. بما أن الأكسجين ينتج أقل كمية من ثاني أكسيد الكربون،فسيمثل المتفاعل المحدد،بينما الميثان هو المتفاعل الزائد.

بمعرفة المتفاعل المحدد،فإنّعدد مولات الناتج يمكن تحويلها إلى غرام. لذلك،يمكن إنتاج 88 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون. لكن ما هي كمية الميثان غير المتفاعلة؟نسبة مولات الميثان إلى الأكسجين تشير إلى،أن أربعة مولات من الأكسجين سوف تتفاعل تمامًا مع 2 مول من الميثان.

لذلك،هناك 3 مولات من الميثان غير المتفاعل زائدة.