Jak najít omezující činidlo: 9 scénářů a kroků, příklad

by

Jak najít omezující činidlo

V chemii je limitující reaktant látka, která omezuje množství produktu, které může vzniknout při chemické reakci. Identifikace limitujícího reaktantu je zásadní, protože nám umožňuje vypočítat maximální množství produktu, které lze získat. V tomto příspěvku na blogu prozkoumáme koncept omezování reaktantů, pochopíme jejich důležitost a naučíme se, jak je určit v různých scénářích.

Pochopení konceptu omezení reaktantu

Než se ponoříme do hledání omezujícího reaktantu, pochopme, co to vlastně znamená. Při chemické reakci se reaktanty spojují za vzniku produktů. Vyvážená rovnice pro reakci ukazuje stechiometrický vztah mezi reaktanty a produkty. Ve skutečnosti však nemusí být reaktanty dostupné v přesném poměru určeném vyváženou rovnicí. Zde vstupuje do hry koncept omezení reaktantu.

Limitujícím reaktantem je reaktant, který je úplně spotřebován jako první, čímž se omezuje množství produktu, které se může vytvořit. Další reaktant, který není zcela spotřebován, se označuje jako přebytek reaktantu. Abychom našli limitující reaktant, porovnáme množství každého z přítomných reaktantů a vypočítáme, který z nich dojde jako první.

Význam identifikace limitující reaktanty

Identifikace limitujícího reaktantu je zásadní z několika důvodů. Za prvé nám umožňuje určit maximální množství produktu, které lze získat. To je důležité pro průmyslová odvětví, která se při výrobě specifických množství produktů spoléhají na chemické reakce. Kromě toho znalost limitujícího reaktantu pomáhá při výpočtu dalších důležitých parametrů, jako je teoretický výtěžek a procentuální výtěžek reakce. Pochopením konceptu limitujících reaktantů mohou chemici optimalizovat reakce k dosažení vyšších výtěžků a minimalizaci odpadu.

Kroky ke stanovení limitní reaktanty

Chcete-li určit limitující reaktant, postupujte takto:

  1. Napište vyváženou chemickou rovnici reakce.
  2. Identifikujte dané množství každého reaktantu (hmotnost, moly, koncentrace nebo objem).
  3. Daná množství převeďte na moly (je-li to nutné) pomocí molární hmotnosti nebo molárního objemu reaktantu.
  4. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu množství každého reaktantu potřebného k úplné reakci.
  5. Porovnejte vypočítaná množství každého reaktantu pro identifikaci limitujícího reaktantu.

Nyní, když rozumíme konceptu omezení reaktantů a proč jsou důležité, pojďme prozkoumat, jak je najít v různých scénářích.

Nalezení limitní reaktanty s různými parametry

jak najít omezující reaktant
Obrázek by AGerémie – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 4.0.
jak najít omezující reaktant

Obrázek by Juan Carcache – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 4.0.

Jak najít limitující reaktant s hmotností

Když je uvedena hmotnost každého reaktantu, můžeme určit limitující reaktant podle následujících kroků:

  1. Převeďte dané hmotnosti každého reaktantu na moly pomocí jejich molárních hmotností.
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z každé reakční složky.
  3. Reaktant, který produkuje menší množství produktu, je limitující reaktant.

Podívejme se na příklad, který to ilustruje:

Předpokládejme, že dochází k reakci mezi amoniakem (NH3) a kyslíkem (O2) za vzniku plynného dusíku (N2) a vody (H2O), podle vyvážené rovnice:

4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O

Pokud máme 10 gramů čpavku a 8 gramů kyslíku, můžeme najít limitní reaktant takto:

  1. Převeďte uvedené hmotnosti na moly:
  2. Moly NH3 = hmotnost / molární hmotnost = 10 g / 17.03 g/mol ≈ 0.587 mol

  3. Moly O2 = hmotnost / molární hmotnost = 8 g / 32 g/mol = 0.25 mol

  4. Pro výpočet molů produktu použijte stechiometrii:

  5. Moly NO vyrobeného z NH3 = 0.587 mol NH3 * (4 mol NO / 4 mol NH3) = 0.587 mol

  6. Moly NO vyrobeného z O2 = 0.25 mol O2 * (4 mol NO / 5 mol O2) = 0.2 mol

  7. Protože počet molů NO produkovaného z O2 (0.2 mol) je menší než mol vyrobených z NH3 (0.587 mol), je v tomto scénáři limitujícím reaktantem kyslík.

Jak najít limitující reaktant s moly

Když je uveden počet molů každého reaktantu, můžeme najít limitující reaktant podle následujících kroků:

  1. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z každé reakční složky.
  2. Reaktant, který produkuje menší množství produktu, je limitující reaktant.

Podívejme se na další příklad, který to ilustruje:

Předpokládejme, že máme reakci mezi plynným vodíkem (H2) a plynným dusíkem (N2) za vzniku plynného amoniaku (NH3), podle vyvážené rovnice:

3H2 + N2 -> 2 NH3

Pokud máme 5 molů plynného vodíku a 4 moly plynného dusíku, můžeme najít limitující reaktant takto:

  1. Pro výpočet molů produktu použijte stechiometrii:
  2. Moly NH3 vyrobené z H2 = 5 mol H2 * (2 mol NH3 / 3 mol H2) ≈ 3.333 mol

  3. Moly NH3 vyrobené z N2 = 4 mol N2 * (2 mol NH3 / 1 mol N2) = 8 mol

  4. Protože molů NH3 produkovaných z H2 (3.333 mol) je méně než molů vyrobených z N2 (8 mol), je v tomto scénáři limitujícím reaktantem plynný vodík.

Jak najít limitující reaktant s koncentrací

Když jsou uvedeny koncentrace každého reaktantu, můžeme určit limitující reaktant podle následujících kroků:

  1. Dané koncentrace převeďte na moly na litr pomocí molárního objemu reaktantu (22.4 l/mol pro plyny při STP).
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z každé reakční složky.
  3. Reaktant, který produkuje menší množství produktu, je limitující reaktant.

Uvažujme ještě jeden příklad pro ilustraci:

Předpokládejme, že máme reakci mezi kyselinou chlorovodíkovou (HCl) a hydroxidem sodným (NaOH) za vzniku chloridu sodného (NaCl) a vody (H2O), podle vyvážené rovnice:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Pokud máme 1 molární (M) roztok HCl a 2M roztok NaOH, můžeme najít limitní reaktant takto:

  1. Převeďte uvedené koncentrace na moly na litr:
  2. Moly HCl = koncentrace * objem = 1 M * 1 L = 1 mol

  3. Moly NaOH = koncentrace * objem = 2 M * 1 L = 2 mol

  4. Pro výpočet molů produktu použijte stechiometrii:

  5. Moly NaCl vyrobené z HCl = 1 mol HCl * (1 mol NaCl / 1 mol HCl) = 1 mol

  6. Moly NaCl vyrobené z NaOH = 2 mol NaOH * (1 mol NaCl / 1 mol NaOH) = 2 mol

  7. Protože molů NaCl produkovaných z HCl (1 mol) je menší než molů vyrobených z NaOH (2 mol), HCl je v tomto scénáři limitujícím reaktantem.

Tyto příklady ukazují, jak najít limitující reaktant v různých scénářích na základě hmotnosti, molů a koncentrace. V dalších částech prozkoumáme, jak najít limitující reaktant ve specifických typech reakcí a složitých scénářích.

Jak najít limitující reaktant s objemem

Když je uveden objem každého reaktantu, můžeme určit limitující reaktant podle následujících kroků:

  1. Dané objemy převeďte na moly pomocí molárního objemu reaktantu (22.4 l/mol pro plyny při STP).
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z každé reakční složky.
  3. Reaktant, který produkuje menší množství produktu, je limitující reaktant.

Podívejme se na příklad, který to ilustruje:

Předpokládejme, že dochází k reakci mezi plynným vodíkem (H2) a plynným kyslíkem (O2) za vzniku vodní páry (H2O), podle vyvážené rovnice:

2H2 + O2 -> 2H2

Pokud máme 10 litrů plynného vodíku a 15 litrů plynného kyslíku, můžeme najít limitující reaktant takto:

  1. Převeďte dané objemy na moly:
  2. Moly H2 = objem / molární objem = 10 l / 22.4 l/mol = 0.446 mol

  3. Moly O2 = objem / molární objem = 15 l / 22.4 l/mol = 0.670 mol

  4. Pro výpočet molů produktu použijte stechiometrii:

  5. Moly H2O vyrobené z H2 = 0.446 mol H2 * (2 mol H2O / 2 mol H2) = 0.446 mol

  6. Moly H2O vyrobené z O2 = 0.670 mol O2 * (2 mol H2O / 1 mol O2) = 1.340 mol

  7. Protože molů H2O produkovaných z H2 (0.446 mol) je méně než molů vyrobených z O2 (1.340 mol), je v tomto scénáři limitujícím reaktantem plynný vodík.

Jak najít limitující reaktant v různých typech reakcí

Nyní, když jsme probrali základy hledání limitujícího reaktantu, pojďme prozkoumat, jak tento koncept aplikovat v různých typech reakcí.

Jak najít limitující reaktant ve spalovací reakci

Při spalovací reakci reaguje uhlovodík s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého a vody. Chcete-li najít limitující reaktant ve spalovací reakci, postupujte podle výše uvedených kroků s ohledem na reaktanty zapojené do reakce.

Jak najít limitující reaktant v reakci s dvojitým vytěsněním

Při dvojité vytěsňovací reakci si dvě sloučeniny vymění ionty za vzniku dvou nových sloučenin. Chcete-li najít limitující reaktant v reakci s dvojitým vytěsňováním, postupujte podle stejných kroků uvedených výše, s ohledem na sloučeniny zahrnuté v reakci.

Nalezení limitní reaktanty v komplexních scénářích

Někdy reakce zahrnují více než dvě reakční složky nebo mohou produkovat více produktů. V takových složitých scénářích vyžaduje nalezení limitujícího reaktantu další kroky.

Jak najít limitující reaktant se třemi reaktanty

Chcete-li najít limitující reaktant, když jsou zapojeny tři reaktanty, postupujte takto:

  1. Vypočítejte moly jednotlivých reaktantů na základě jejich daných množství.
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z každé reakční složky.
  3. Porovnejte vypočítané moly produktu pro každý reaktant.
  4. Reaktant, který produkuje nejméně molů produktu, je limitující reaktant.

Jak najít omezující činidlo, když existují dva produkty

Když reakce produkuje více produktů, musíme určit limitující reaktant pro každý produkt zvlášť. Následuj tyto kroky:

  1. Vypočítejte moly jednotlivých reaktantů na základě jejich daných množství.
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů každého produktu, který lze vytvořit z každého reaktantu.
  3. Porovnejte vypočítané moly každého produktu pro každý reaktant.
  4. Reaktant, který produkuje nejméně molů kteréhokoli z produktů, je limitujícím reaktantem.

Pokročilé koncepce související s omezením reaktantu

Kromě nalezení omezujícího reaktantu existuje několik pokročilých konceptů souvisejících s tímto tématem, které stojí za to prozkoumat.

Jak najít přebytek reaktantu

Přebytek reaktantu je reaktant, který zbude po úplném spotřebování omezujícího reaktantu. Chcete-li najít přebytečný reaktant, postupujte takto:

  1. Vypočítejte moly jednotlivých reaktantů na základě jejich daných množství.
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z každé reakční složky.
  3. Určete limitující reaktant.
  4. Vypočítejte moly přebytečného reaktantu odečtením molů limitujícího reaktantu od počátečních molů reaktantu.

Jak najít teoretický výtěžek pomocí limitního reaktantu

Teoretický výtěžek je maximální množství produktu, které lze získat reakcí založenou na limitujícím reaktantu. Chcete-li zjistit teoretický výnos, postupujte takto:

  1. Vypočítejte moly limitního reaktantu.
  2. Použijte stechiometrii vyvážené rovnice k výpočtu molů produktu, které lze vytvořit z limitující reakční složky.
  3. Převeďte moly produktu na gramy pomocí molární hmotnosti produktu.

Pochopením a aplikací těchto pokročilých konceptů mohou chemici získat hlubší porozumění chemickým reakcím a provádět přesnější výpočty.

Také čtení: