Περιοριστικό αντιδραστήριο ή περιοριστικό αντιδραστήριο

Στη χημεία, το περιοριστικό αντιδραστήριο είναι το αντιδραστήριο που χρησιμοποιείται πλήρως σε μια χημική αντίδραση. Είναι επίσης γνωστό ως το περιοριστικό αντιδραστήριο , αν και ένα αντιδραστήριο και ένα αντιδραστήριο δεν είναι πάντα το ίδιο πράγμα στη σύγχρονη χημεία. Δείτε τι πρέπει να γνωρίζετε για το περιοριστικό αντιδραστήριο, συμπεριλαμβανομένου του ορισμού του, του τρόπου εύρεσης του και των λειτουργικών παραδειγμάτων προβλημάτων.

Περιορισμός αντιδραστηρίου

Το περιοριστικό αντιδραστήριο είναι το αντιδραστήριο που «περιορίζει» μια χημική αντίδραση ή καθορίζει την ποσότητα του προϊόντος που μπορεί να παράγει. Βασίζεται στη στοιχειομετρία ή στη μοριακή αναλογία μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων. Όταν συνδυάζετε αντιδρώντα, δεν χρησιμοποιείτε πάντα ποσότητες που εξισορροπούν τέλεια η μία την άλλη.

Για παράδειγμα, αν αγοράσετε ένα πακέτο χοτ ντογκ και ένα πακέτο ψωμάκια, συνήθως παίρνετε 10 χοτ ντογκ και 8 ψωμάκια (πιθανότατα έτσι οι εταιρείες ψωμιού μπορούν να πουλήσουν περισσότερο από το προϊόν τους). Πόσα χοτ ντογκ με ψωμάκια μπορείτε να φτιάξετε; Η ιδανική αναλογία χοτ ντογκ και ψωμιού είναι 1:1, αλλά έχετε 10:8 ή 1:0,8. Καταναλώνετε όλα τα ψωμάκια προτού ξεμείνετε από χοτ ντογκ, επομένως τα ψωμάκια είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο. Τα χοτ ντογκ που έχουν απομείνει είναι το υπερβάλλον αντιδρόν . Το περιοριστικό αντιδραστήριο καθορίζει τη θεωρητική απόδοση. Σε αυτή την περίπτωση, η θεωρητική απόδοση είναι 8 χοτ ντογκ με ψωμάκια.

Οι χημικές αντιδράσεις λειτουργούν πολύ όπως το παράδειγμα του χοτ ντογκ και των ψωμιών. Για παράδειγμα, εξετάστε την αντίδραση μεταξύ σιδήρου (Fe) και θείου (S) για να σχηματιστεί θειούχος σίδηρος (FeS). Ο σίδηρος και το θείο, όπως τα χοτ ντογκ και τα ψωμάκια, αντιδρούν σε αναλογία 1:1:

Fe(s) + S(s) → FeS(s)

Σε μια ιδανική κατάσταση, έχετε ίσο αριθμό mole από κάθε ουσία. Χρησιμοποιείτε έναν περιοδικό πίνακα και αναζητάτε τις ατομικές μάζες σιδήρου και θείου και μετατρέπετε τους αριθμούς των γραμμομορίων σε γραμμάρια, ώστε να μπορείτε να τις ζυγίσετε. Έτσι, εάν αντιδράσετε 55,85 γραμμάρια σιδήρου και 32,06 γραμμάρια θείου, αντιδρούν πλήρως και σχηματίζουν θειούχο σίδηρο. Τόσο ο σίδηρος όσο και το θείο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο. Εάν χρησιμοποιείτε τη μισή μάζα κάθε χημικής ουσίας ή 5 φορές την ποσότητα κάθε χημικής ουσίας, το αποτέλεσμα είναι το ίδιο εφόσον ο σίδηρος και το θείο υπάρχουν σε ίσες μοριακές ποσότητες.

Αλλά, συνήθως έχετε μια δεδομένη ποσότητα από κάθε αντιδρών, έτσι ένα αντιδραστήριο εξαντλείται (το περιοριστικό αντιδραστήριο) και υπάρχει κάποιο υπόλοιπο αντιδραστήριο (η περίσσεια αντιδραστηρίου). Ας υποθέσουμε ότι έχετε 46 γραμμάρια σιδήρου και 32 γραμμάρια θείου. Ποιο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο;

Πώς να βρείτε το περιοριστικό αντιδραστήριο

Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι εύρεσης του περιοριστικού αντιδραστηρίου. Και στις δύο περιπτώσεις, ξεκινάτε με την ισορροπημένη χημική εξίσωση και τον αριθμό των γραμμομορίων αντιδρώντων και προϊόντων. Αν σας δοθεί ο αριθμός των σπίλων, υπέροχο! Συνήθως, έχετε μάζες σε γραμμάρια και μετατρέπετε τα γραμμάρια σε κρεατοελιές. Στη συνέχεια, είτε συγκρίνετε τις μοριακές αναλογίες των αντιδρώντων είτε βλέπετε ποιο αντιδραστήριο παράγει τη μικρότερη ποσότητα προϊόντος:

Σύγκριση της αναλογίας mole των αντιδρώντων

Ισορροπήστε τη χημική εξίσωση.
Από την ισορροπημένη εξίσωση, βρείτε τη μοριακή αναλογία μεταξύ των αντιδρώντων. Οι συντελεστές μπροστά από τα αντιδρώντα και τα προϊόντα σας δίνουν τη μοριακή αναλογία. Εάν δεν υπάρχει συντελεστής, σημαίνει ότι υπάρχει 1 mole.
Μετατρέψτε τα γραμμάρια σε κρεατοελιές.
Συγκρίνετε τον αριθμό των γραμμομορίων της πραγματικής ποσότητας των αντιδρώντων προς τη μοριακή αναλογία από την ισορροπημένη εξίσωση.
Το αντιδραστήριο που εμφανίζεται σύντομο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο.

Για παράδειγμα, στην αντίδραση μεταξύ 46 γραμμαρίων σιδήρου και 32 γραμμαρίων θείου:

Γράψτε την ισορροπημένη εξίσωση:Fe(s) + S(s) → FeS(s)
Βρείτε τη μοριακή αναλογία μεταξύ των αντιδρώντων:1 Fe:1 S
Μετατροπή γραμμαρίων σε mole:46 γραμμάρια Fe =46 g / 55,85 g/mol =0,82 mol; 23 γραμμάρια S =23 g / 32,06 g/mol =0,72 mol
Συγκρίνετε την πραγματική αναλογία προς την ιδανική αναλογία mole:Έχετε 0,82 mol Fe :0,72 mol S
Ποιο είναι σύντομο; Δεδομένου ότι το Fe και το S αντιδρούν σε αναλογία 1:1 και υπάρχουν λιγότερα mol S, το θείο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο.

Σύγκριση της ποσότητας του προϊόντος

Ισορροπήστε τη χημική εξίσωση.
Μετατρέψτε τα πραγματικά ποσά σε κρεατοελιές.
Χρησιμοποιώντας την αναλογία mole από την ισορροπημένη εξίσωση, βρείτε τα mole του προϊόντος που λαμβάνετε εάν χρησιμοποιήσετε την πλήρη ποσότητα κάθε προϊόντος. Έτσι, εάν υπάρχουν δύο αντιδρώντα, υπάρχουν δύο υπολογισμοί εδώ. Εάν έχετε τρία αντιδρώντα, τότε υπάρχουν τρεις υπολογισμοί. Εάν οι αντιδράσεις σας σχηματίζουν περισσότερα από ένα προϊόντα, απλώς επιλέξτε ένα.
Το αντιδρόν που παράγει τη μικρότερη ποσότητα προϊόντος είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο. Αυτό που αποδίδει τη μεγαλύτερη ποσότητα προϊόντος είναι η περίσσεια αντιδραστηρίου.

Αν θέλετε, υπολογίστε την ποσότητα της περίσσειας αντιδραστηρίου αφαιρώντας τα mol της περίσσειας αντιδραστηρίου από την ποσότητα που στην πραγματικότητα εξαντλείται. Στη συνέχεια, μετατρέψτε τον αριθμό των κρεατοελιών σε γραμμάρια.

Και πάλι, ας χρησιμοποιήσουμε το παράδειγμα της αντίδρασης μεταξύ 46 γραμμαρίων σιδήρου και 32 γραμμαρίων θείου.

Γράψτε την εξισορροπημένη εξίσωση:Fe(s) + S(s) → FeS(s) [Λάβετε υπόψη ότι 1 mole από τα δύο αντιδρώντα παράγει 1 mole προϊόντος.]
Μετατροπή γραμμαρίων σε mole:46 γραμμάρια Fe =46 g / 55,85 g/mol =0,82 mol; 23 γραμμάρια S =23 g / 32,06 g/mol =0,72 mol
Εύρεση θεωρητικών γραμμομορίων προϊόντος από κάθε αντιδρών:Επειδή η αναλογία αντιδρώντων:προϊόντος είναι 1:1, ο μέγιστος αριθμός γραμμομορίων προϊόντος είναι 0,82 γραμμομόρια προϊόντος χρησιμοποιώντας όλο τον Fe ή 0,72 γραμμομόρια προϊόντος χρησιμοποιώντας όλο το S.
Η ποσότητα του θείου αποδίδει τη μικρή ποσότητα θειούχου σιδήρου, επομένως το θείο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο.

Παράδειγμα

Ακολουθεί ένα άλλο παράδειγμα που δείχνει πώς να βρείτε το περιοριστικό αντιδραστήριο:

Βρείτε το περιοριστικό αντιδραστήριο όταν αντιδράσετε 35,60 γραμμάρια υδροξειδίου του νατρίου και 30,80 γραμμάρια φωσφορικού οξέος για να σχηματίσετε φωσφορικό νάτριο και νερό.

Πρώτα, χρειάζεστε τους χημικούς τύπους και την ισορροπημένη χημική εξίσωση:

3 NaOH(aq) + H₃ PO₄ (aq) → Na₃ PO₄ (aq) + 3 H₂ O(l)

Η μοριακή αναλογία μεταξύ των αντιδρώντων είναι 3 NaOH:1 H₃ PO₄

Προχωρήστε και βρείτε τον αριθμό των mol υδροξειδίου του νατρίου και φωσφορικού οξέος. Χρησιμοποιώντας τις ατομικές μάζες από τον περιοδικό πίνακα:

Μοριακή μάζα NaOH =40,00 γραμμάρια/γραμμομόριο
Μοριακή μάζα H₃ PO₄ =98,00 γραμμάρια/mol

mole NaOH =35,60 g / 40,00 g/mol =0,89 mol
κρεατοελιές H₃ PO₄ =30,80 g / 98,00 g/mol =0,31 mol

Η πραγματική μοριακή αναλογία μεταξύ υδροξειδίου του νατρίου και φωσφορικού οξέος είναι 0,89 :0,31 =2,87.
Η ιδανική μοριακή αναλογία μεταξύ υδροξειδίου του νατρίου και φωσφορικού οξέος είναι 3:1 =3,00.

Δεδομένου ότι η μοριακή αναλογία είναι μικρότερη από 3, γνωρίζετε ότι το NaOH είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο. Εάν η αναλογία ήταν μεγαλύτερη από 3, τότε το φωσφορικό οξύ θα ήταν το περιοριστικό αντιδραστήριο. Φυσικά, λαμβάνετε την ίδια απάντηση αντιμετωπίζοντας το πρόβλημα συγκρίνοντας mole αντιδρώντων με προϊόντα.

Αναφορές

Brady, James E.; Senese, Frederick; Jespersen, Neil D. (2007). Χημεία:Η ύλη και οι αλλαγές της . John Wiley &Sons. ISBN 9780470120941.
Giunta, Carmen J. (2016). «Τι είναι σε ένα όνομα; Ποσότητα Ουσίας, Χημική Ποσότητα και Στοιχειομετρική Ποσότητα." J. Chem. Εκπαίδευση. 93(4):583-586. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00690
Olmsted, John; Williams, Gregory M. (1997). Χημεία:Η Μοριακή Επιστήμη . Jones &Bartlett Learning. ISBN 0815184506.
Zumdahl, Steven S. (2006). Χημικές Αρχές (4η έκδ.). Νέα Υόρκη:Houghton Mifflin Company. ISBN 0-618-37206-7.