Back to chapter

4.2:

Ограничивающий реагент

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Limiting Reactant

Languages

Share

В химической реакции реагенты взаимодействуют друг с другом с образованием продуктов. Реагент, который расходуется полностью, является ограничивающим реагентом, а реагент, присутствующий в количестве, большем, чем необходимо для полного взаимодействия с ограничивающим реагентом, является избыточным реагентом. Для понимания этой концепции будет полезно провести аналогию с рецептами.Так из одного стакана муки, 2 яиц и 3 столовых ложек сахара получается пять вафель. Если у нас есть 3 стакана муки, 4 яйца и 8 столовых ложек сахара, сколько вафель можно сделать? Муки хватит на 15 вафель, а сахара на 13 и 1/3 вафли.Однако яиц хватает только на 10 вафель. В данном случае яйца являются ограничивающим реагентом, потому что их хватит на наименьшее количество вафель, а мука и сахар в избытке. Теперь рассмотрим реакцию горения метана и кислорода с образованием диоксида углерода и воды.Напомним, что коэффициенты сбалансированного уравнения представляют собой стехиометрическое количество реагентов и продуктов. Следовательно, стехиометрическое мольное соотношение метана к диоксиду углерода составляет один к одному, а отношение кислорода к диоксиду углерода составляет два к одному. Предположим, есть 80 граммов метана и 128 граммов кислорода.Какой из реагентов ограничивающий, и сколько образуется диоксида углерода? Во-первых, массы реагентов необходимо перевести в моли с использованием их молярных масс. Стехиометрически из 5 молей метана образуется 5 молей диоксида углерода, в то время как из 4 молей кислорода образуется только 2 моля диоксида углерода.Поскольку из кислорода образуется наименьшее количество диоксида углерода, он является ограничивающим реагентом, в то время как метан является избыточным реагентом. Зная ограничивающий реагент, количество молей продукта можно перевести в граммы. Таким образом, можно получить 88 граммов диоксида углерода.Но сколько метана не вступило в реакцию? Молярное отношение метана к кислороду показывает, что четыре моля кислорода полностью вступят в реакцию с 2 молями метана. Итак, 3 моля не вступившего в реакцию метана являются избытком.

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.