4.2: Begrenzender Reaktant

Die relativen Mengen an Reaktanten und Produkten, die in einer ausgewogenen chemischen Gleichung dargestellt werden, werden oft als stöchiometrische Mengen bezeichnet. In der Realität liegen die Reaktanten jedoch nicht immer in den stöchiometrischen Mengen vor, die in der ausgeglichenen Gleichung angegeben sind.

Bei einer chemischen Reaktion ist der Reaktant, der zuerst verbraucht wird und die Menge des gebildeten Produkts begrenzt, der limitierende Reaktant, während die andere Substanz zum überschüssigen Reaktanten wird. Um die vollständige Umwandlung des anderen Reaktanten in das Produkt sicherzustellen, wird häufig ein Überschuss eines oder mehrerer Reaktanten verwendet.

Betrachten Sie die Reaktion zur Bildung von Wasser, dargestellt durch die Gleichung:

Die ausgeglichene Gleichung zeigt, dass Wasserstoff und Sauerstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis von 2:1 reagieren. Wenn diese Reaktanten in anderen Mengen bereitgestellt werden, wird einer der Reaktanten fast immer vollständig verbraucht, wodurch die Produktmenge begrenzt wird, die erzeugt werden kann. Dieser Stoff ist der limitierende Reaktant und der andere Stoff ist der überschüssige Reaktant. Um die limitierenden und überschüssigen Reaktanten für eine bestimmte Situation zu identifizieren, müssen die molaren Mengen jedes bereitgestellten Reaktanten berechnet und mit den stöchiometrischen Mengen verglichen werden, die in der ausgeglichenen chemischen Gleichung dargestellt sind.

Die Stöchiometrie zeigt an, dass zwei Mol Wasserstoff und ein Mol Sauerstoff unter Bildung von zwei Mol Wasser reagieren; das heißt, Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich im Verhältnis 2:1. Stellen Sie sich vor, es wären 5 Mol Wasserstoff und 2 Mol Sauerstoff vorhanden. Das Verhältnis der Reaktanten beträgt nun 5:2 (oder 2,5:1), was größer ist als das stöchiometrische Verhältnis von 2:1. Wasserstoff ist daher im Überschuss vorhanden und Sauerstoff ist der limitierende Reaktant. Durch die Reaktion des gesamten bereitgestellten Sauerstoffs (2 Mol) werden 4 Mol der bereitgestellten 5 Mol Wasserstoff verbraucht, sodass 1 Mol Wasserstoff nicht umgesetzt wird. Die Berechnung der molaren Mengen jedes bereitgestellten Reaktanten und deren Vergleich mit den in der ausgeglichenen chemischen Gleichung dargestellten stöchiometrischen Mengen ist eine Möglichkeit, den limitierenden und überschüssigen Reaktanten zu identifizieren.

Ein alternativer Ansatz besteht darin, die Menge des in Mol gebildeten Produkts aus jedem Reaktanten gemäß der Stöchiometrie der Reaktion zu berechnen und dann die Mengen zu vergleichen. Der Reaktant, der eine geringere Menge an Produktmolen produziert, ist der limitierende Reaktant. Beispielsweise würde die vollständige Reaktion von fünf Mol Wasserstoff Folgendes ergeben:

Ebenso würde die vollständige Reaktion von zwei Mol Sauerstoff Folgendes ergeben:

Sauerstoff erzeugt weniger Mol Wasser und daher ist Sauerstoff der limitierende Reaktant. Sobald 4 Mol H₂O entstanden sind, ist der Sauerstoff vollständig verbraucht. Da die Stöchiometrie zwischen Wasserstoff und Sauerstoff 2:1 beträgt, werden vier Mol Wasserstoff benötigt, um mit zwei Mol Sauerstoff zu reagieren.

Somit bleibt (5 mol H₂ − 4 mol H₂ = 1 mol H₂), ein Mol nicht umgesetzter Wasserstoff übrig, sobald diese Reaktion abgeschlossen ist.

Dieser Text wurde angepasst von OpenStax, Chemistry 2e, Section 4.4: Reaction Yield.

Bei einer chemischen Reaktion reagieren die Reaktanten miteinander und bilden Produkte. Der vollständig verbrauchte Reaktant ist der begrenzende Reaktant, und der Reaktant, der in einer Menge vorhanden ist, die größer ist als notwendig, um vollständig mit dem begrenzenden Reaktanten zu reagieren ist der überschüssige Reaktant. Eine Rezeptanalogie ist hilfreich, um diese Konzepte zu verstehen.

Hier ergeben eine Tasse Mehl, 2 Eier und 3 Esslöffel Zucker fünf Waffeln. Wenn es 3 Tassen Mehl, 4 Eier und 8 Esslöffel Zucker gibt, wie viele Waffeln können dann hergestellt werden? Es gibt genug Mehl, um 15 Waffeln herzustellen, und genug Zucker, um 13 1/3 der Waffeln herzustellen.

Es gibt jedoch nur Eier für 10 Waffeln. Hier ist das Ei der limitierende Reaktant weil es am wenigsten Waffeln ergibt, während das Mehl und der Zucker im Überschuss vorhanden sind. Betrachten Sie nun die Verbrennungsreaktion zwischen Methan und Sauerstoff zur Erzeugung von Kohlendioxid und Wasser.

Erinnern Sie sich, dass die Koeffizienten einer ausgeglichenen Gleichung die stöchiometrischen Mengen der Reaktanten und Produkten darstellen. Daher ist das stöchiometrische Molverhältnis von Methan zu Kohlendioxid eins zu eins, und der von Sauerstoff zu Kohlendioxid zwei zu eins. Angenommen, es sind 80 Gramm Methan und 128 Gramm Sauerstoff.

Was ist der limitierende Reaktant, und wie viel Kohlendioxid wird entstehen? Erstens, die Massen der Reaktanten müssen anhand ihrer Molmassen in Mol umgerechnet werden. Stöchiometrisch, 5 Mol Methan produzieren 5 Mol Kohlendioxid, während 4 Mol Sauerstoff nur 2 Mol Kohlendioxid produzieren.

Da Sauerstoff die geringste Menge Kohlendioxid produziert, ist es der limitierende Reaktant, während Methan der überschüssige Reaktant ist. Wenn wir den limitierenden Reaktanten kennen, kann die Anzahl der Produktmol in Gramm umgerechnet werden. Daher können 88 Gramm Kohlendioxid produziert werden.

Aber wie viel Methan wird nicht umgesetzt? Das Molverhältnis von Methan zu Sauerstoff zeigt an, dass vier Mol Sauerstoff vollständig mit 2 Mol Methan reagieren würden. Somit sind 3 Mol nicht umgesetztes Methan im Überschuss vorhanden.