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4.2:

Begrenzende Reagenzien

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Chemistry
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JoVE Core Chemistry
Limiting Reactant

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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.

4.2:

Begrenzende Reagenzien

The relative amounts of reactants and products represented in a balanced chemical equation are often referred to as stoichiometric amounts. However, in reality, the reactants are not always present in the stoichiometric amounts indicated by the balanced equation.

In a chemical reaction, the reactant which gets consumed first, and limits the amount of product formed, is the limiting reactant, while the other substance becomes the excess reactant. An excess of one or more reactants is often used to ensure the complete conversion of the other reactant into the product.

Consider the reaction for the formation of water represented by the equation:

Eq1

The balanced equation shows the hydrogen and oxygen react in a 2:1 stoichiometric ratio. If these reactants are provided in any other amounts, one of the reactants will nearly always be entirely consumed, thus limiting the amount of product that may be generated. This substance is the limiting reactant, and the other substance is the excess reactant. Identifying the limiting and excess reactants for a given situation requires computing the molar amounts of each reactant provided and comparing them to the stoichiometric amounts represented in the balanced chemical equation. 

Stoichiometry indicates that two moles of hydrogen and one mole of oxygen react to produce two moles of water; that is, hydrogen and oxygen combine in a 2:1 ratio. Imagine if 5 moles of hydrogen and 2 moles of oxygen are present. The ratio of the reactants is now 5:2 (or 2.5:1), which is greater than the stoichiometric ratio of 2:1. Hydrogen, therefore, is present in excess, and oxygen is the limiting reactant. Reaction of all the provided oxygen (2 mol) will consume 4 mol of the 5 mol of hydrogen provided, leaving 1 mol of hydrogen unreacted. Computing the molar amounts of each reactant provided and comparing them to the stoichiometric amounts represented in the balanced chemical equation is one way of identifying the limiting and excess reactant.

An alternative approach involves calculating the amount of product formed in moles from each reactant, as per the reaction’s stoichiometry, and then comparing the amounts. The reactant that produces a lesser amount of product moles is the limiting reactant. For example, the complete reaction of five moles of hydrogen would yield:

Eq2

Similarly, the complete reaction of two moles of oxygen would yield:

Eq3

Oxygen produces fewer moles of water, and therefore, oxygen is the limiting reactant. Oxygen will be completely consumed once 4 moles of H2O have been produced. The stoichiometry between hydrogen and oxygen being 2:1, four moles of hydrogen are needed to react with two moles of oxygen. 

Eq4

Thus, (5 mol H2 − 4 mol H2 = 1 mol H2), one mole of unreacted hydrogen will remain once this reaction is complete. 

This text is adapted from OpenStax, Chemistry 2e, Section 4.4: Reaction Yield.