4.2: Ограничивающий реагент
Относительные количества реагентов и продуктов, представленных в сбалансированном химическом уравнении, часто называют стехиометрическими суммами. Однако в действительности реагенты не всегда присутствуют в стехиометрических количествах, указанных уравнением.
В химической реакции реагент, который потребляется первым и ограничивает количество образованного продукта, является ограничивающим реагентом, в то время как другое вещество становится избыточным реагентом. Для полного преобразования другого реагента в продукт часто используется избыток одного или нескольких реагенты.
Рассмотрим реакцию на образование воды, представленную уравнением:
Сбалансированное уравнение показывает реакцию водорода и кислорода в стехиометрическом соотношении 2:1. Если эти реагенты предоставляются в любом другом количестве, один из реагенты почти всегда будет полностью потребляться, таким образом ограничивая количество продукта, которое может быть создано. Это вещество является ограничивающим реагентом, а другое вещество является избыточным реагентом. Определение предельного и избыточного реагента для данной ситуации требует вычисления молярного количества каждого предоставленного реагента и сравнения их со стехиометрическими суммами, представленными в сбалансированном химическом уравнении.
Стехиометрия указывает на то, что два моля водорода и один моль кислорода реагируют с получением двух молей воды, то есть водород и кислород объединяются в соотношении 2:1. Представьте, есть 5 молей водорода и 2 моля кислорода. Соотношение реагентов теперь составляет 5:2 (или 2.5:1), что больше, чем стехиометрическое соотношение 2:1. Водород, таким образом, находится в избытке, а кислород является ограничивающим реагентом. Реакция всего предоставленного кислорода (2 моль) будет потреблять 4 моль из 5 моль предоставленного водорода, оставляя 1 моль водорода непрореагировавшим. Вычисление молярного количества каждого предоставленного реагента и сравнение их со стехиометрическими суммами, представленными в сбалансированном химическом уравнении, является одним из способов определения лимитирующих и избыточных реагентов.
Альтернативный подход заключается в вычислении количества продукта в молях , образованного из каждого реагента, в соответствии со стехиометрией реакции, а затем в сравнении количества. Реагент, производящий меньшее количество продукта, является ограничивающим реагентом. Например, полная реакция пяти молей водорода будет давать:
Аналогичным образом, полная реакция двух молей кислорода даст:
Кислород вырабатывает меньше молей воды, и поэтому кислород является ограничивающим реагентом. Кислород будет полностью потребляться после получения 4 моль H2О. Стехиометрия между водородом и кислородом составляет 2:1, четыре моля водорода необходимы для реакции с двумя молями кислорода.
Таким образом, (5 молей H2 – 4 mol H2 = 1 mol H2), один моль непрореагированного водорода останется после завершения этой реакции.
Этот текст был адаптирован из OpenStax, Химия 2е изд., раздел 4.4: Выход реакции.
