Ograniczanie reagenta

Względne ilości reagentów i produktów reprezentowanych w zrównoważonym równaniu chemicznym są często określane jako ilości stechiometryczne. Jednak w rzeczywistości reagenty nie zawsze są obecne w ilościach stechiometrycznych wskazanych przez zrównoważone równanie.

W reakcji chemicznej reagent, który jest spożywany jako pierwszy i ogranicza ilość powstającego produktu, jest reagentem ograniczającym, podczas gdy druga substancja staje się reagentem nadmiarowym. Nadmiar jednego lub więcej reagentów jest często wykorzystywany, aby zapewnić całkowitą konwersję drugiego reagenta do produktu.

Rozważmy reakcję tworzenia się wody reprezentowaną przez równanie:

Zrównoważone równanie pokazuje, że wodór i tlen reagują w stosunku stechiometrycznym 2:1. Jeśli te reagenty są dostarczane w innych ilościach, jeden z reagentów prawie zawsze zostanie całkowicie zużyty, ograniczając w ten sposób ilość produktu, który może zostać wygenerowany. Ta substancja jest reagentem ograniczającym, a druga substancja to reagent nadmiarowy. Identyfikacja reagentów ograniczających i nadmiarowych dla danej sytuacji wymaga obliczenia ilości molowych każdego dostarczonego reagenta i porównania ich z ilościami stechiometrycznymi przedstawionymi w zrównoważonym równaniu chemicznym. 

Stechiometria wskazuje, że dwa mole wodoru i jeden mol tlenu reagują, tworząc dwa mole wody, to znaczy wodór i tlen łączą się w stosunku 2:1. Wyobraź sobie, że obecnych jest 5 moli wodoru i 2 mole tlenu. Stosunek reagentów wynosi teraz 5:2 (lub 2,5:1), czyli jest większy niż stosunek stechiometryczny wynoszący 2:1. Wodór jest zatem obecny w nadmiarze, a tlen jest reagentem ograniczającym. Reakcja całego dostarczonego tlenu (2 mol) zużyje 4 mol z 5 moli dostarczonego wodoru, pozostawiając 1 mol wodoru nieprzereagowany. Obliczanie ilości molowych każdego dostarczonego reagenta i porównywanie ich z ilościami stechiometrycznymi przedstawionymi w zrównoważonym równaniu chemicznym jest jednym ze sposobów identyfikacji reagenta ograniczającego i nadmiarowego.

Alternatywne podejście polega na obliczeniu ilości produktu utworzonego w molach z każdego reagenta, zgodnie ze stechiometrią reakcji, a następnie porównaniu ilości. Reagent, który wytwarza mniejszą ilość moli produktu, jest reagentem ograniczającym. Na przykład, pełna reakcja pięciu moli wodoru dałaby:

Podobnie, pełna reakcja dwóch moli tlenu dałaby:

Tlen wytwarza mniej moli wody, a zatem tlen jest reagentem ograniczającym. Tlen zostanie całkowicie zużyty po wyprodukowaniu 4 moli_H2O. Stechiometria między wodorem a tlenem wynosi 2:1, cztery mole wodoru są potrzebne do reakcji z dwoma molami tlenu. 

Tak więc (5 mol H₂ − 4 mol H₂ = 1 mol H₂), po zakończeniu tej reakcji pozostanie jeden mol nieprzereagowanego wodoru. 

Ten tekst jest zaadaptowany z OpenStax, Chemia 2e, Sekcja 4.4: Wydajność reakcji.