4.2: Reagente limitante

Le quantità relative di reagenti e prodotti rappresentati in un'equazione chimica bilanciata sono spesso chiamate quantità stechiometriche. Tuttavia, in realtà, non sempre i reagenti sono presenti nelle quantità stechiometriche indicate dall'equazione bilanciata.

In una reazione chimica, il reagente che viene consumato per primo e limita la quantità di prodotto formato, è il reagente limitante, mentre l'altra sostanza diventa il reagente in eccesso. Spesso viene utilizzato un eccesso di uno o più reagenti per garantire la completa conversione dell'altro reagente nel prodotto.

Consideriamo la reazione per la formazione dell'acqua rappresentata dall'equazione:

L'equazione bilanciata mostra che l'idrogeno e l'ossigeno reagiscono in un rapporto stechiometrico 2:1. Se questi reagenti vengono forniti in qualsiasi altra quantità, uno dei reagenti sarà quasi sempre completamente consumato, limitando così la quantità di prodotto che può essere generata. Questa sostanza è il reagente limitante e l'altra sostanza è il reagente in eccesso. Identificare i reagenti limitanti ed in eccesso per una data situazione richiede il calcolo delle quantità molari di ciascun reagente fornito e il confronto con le quantità stechiometriche rappresentate nell'equazione chimica bilanciata.

La stechiometria indica che due moli di idrogeno e una mole di ossigeno reagiscono per produrre due moli di acqua; cioè, idrogeno e ossigeno si combinano in un rapporto 2:1. Immagina se fossero presenti 5 moli di idrogeno e 2 moli di ossigeno. Il rapporto dei reagenti è ora 5:2 (o 2,5:1), che è maggiore del rapporto stechiometrico di 2:1. L'idrogeno, quindi, è presente in eccesso e l'ossigeno è il reagente limitante. La reazione di tutto l'ossigeno fornito (2 mol) consumerà 4 mol delle 5 mol di idrogeno fornite, lasciando 1 mol di idrogeno non reagito. Calcolare le quantità molari di ciascun reagente fornito e confrontarle con le quantità stechiometriche rappresentate nell'equazione chimica bilanciata è un modo per identificare il reagente limitante ed in eccesso.

Un approccio alternativo prevede il calcolo della quantità di prodotto formato in moli da ciascun reagente, secondo la stechiometria della reazione, e quindi il confronto delle quantità. Il reagente che produce una quantità minore di moli di prodotto è il reagente limitante. Ad esempio, la reazione completa di cinque moli di idrogeno produrrebbe:

Allo stesso modo, la reazione completa di due moli di ossigeno produrrebbe:

L'ossigeno produce meno moli di acqua e quindi l'ossigeno è il reagente limitante. L'ossigeno sarà completamente consumato una volta prodotte 4 moli di H_2O. Essendo la stechiometria tra idrogeno e ossigeno 2:1, sono necessarie quattro moli di idrogeno per reagire con due moli di ossigeno.

Pertanto, (5 mol H_2 − 4 mol H_2 = 1 mol H_2), una mole di idrogeno non reagito rimarrà una volta completata la reazione.

Questo testo è adattato da OpenStax, Chemistry 2e, Section 4.4: Reaction Yield.

In una reazione chimica, i reagenti interagiscono tra loro per formare prodotti. Il reagente che è completamente consumato è il reagente limitante, e il reagente presente in una quantità maggiore del necessario per reagire completamente con il reagente limitante è il reagente in eccesso. Un'analogia con una ricetta di cucina sarà utile per comprendere questi concetti.

Una tazza di farina, 2 uova e 3 cucchiai di zucchero fanno cinque waffle. Se ci sono 3 tazze di farina, 4 uova e 8 cucchiai di zucchero, quanti waffle si possono fare? C'è abbastanza farina per fare 15 waffle e abbastanza zucchero per fare 13 1/3 waffle.

Tuttavia, ci sono solo uova sufficienti per 10 waffle. Qui, l'uovo è il reagente limitante perché produce la minor quantità di waffle, mentre la farina e lo zucchero sono in eccesso. Consideriamo ora la reazione di combustione fra metano e ossigeno per produrre anidride carbonica e acqua.

Occorre ricordare che i coefficienti di un'equazione bilanciata rappresentano le quantità stechiometriche dei reagenti e dei prodotti. Pertanto, il rapporto molare stechiometrico fra metano e anidride carbonica è uno a uno, e quello fra ossigeno e anidride carbonica è due a uno. Supponiamo che ci siano 80 grammi di metano e 128 grammi di ossigeno.

Qual è il reagente limitante, e quanta anidride carbonica si formerà? Innanzitutto, le masse dei reagenti devono essere convertite in moli utilizzando le loro masse molari. Stechiometricamente, 5 moli di metano producono 5 moli di anidride carbonica, mentre 4 moli di ossigeno producono solo 2 moli di anidride carbonica.

Poiché l'ossigeno produce la minor quantità di anidride carbonica, è il reagente limitante, mentre il metano è il reagente in eccesso. Conoscendo il reagente limitante, il numero di moli di prodotto può essere convertito in grammi. Pertanto si possono produrre 88 grammi di anidride carbonica.

Ma quanto metano non ha reagito? Il rapporto molare fra metano e ossigeno indica che quattro moli di ossigeno reagirebbero completamente con 2 moli di metano. Dunque, 3 moli di metano che non hanno reagito sono in eccesso.

nvolgono composti ionici, i cationi vengono bilanciati per primi, seguiti dagli anioni. Gli ioni poliatomici sono sempre bilanciati come unità. Per esempio, il solfato di alluminio acquoso reagisce con l'idrossido di calcio acquoso, formando idrossido di alluminio solido e solfato di calcio solido.

Utilizzando un'equazione scheletrica, i cationi di alluminio e calcio vengono bilanciati, seguiti dagli anioni dell'idrossido poliatomico e degli ioni solfato. Infine, i coefficienti vengono adeguati per ottenere un'equazione complessiva equilibrata.