Piirav reagent ja stöhhiomeetria

Piirav reagent ei ole see, mida on kõige vähem 🖖

28 g N₂ ja 6 g H₂ korral on vesinikku 2,9762 mooli ning lämmastikku 0,9995 mooli, kuid piirab H₂. Võrrand nõuab kolme H₂ iga N₂ kohta, seega otsustavad kordajatega jagatud 0,9921 ja 0,9995.

Saagis on kaks sirget murdepunktiga 🖖

Muuda graafikul üht reagenti: saagis kasvab lineaarselt, kuni mooli-kordaja suhted võrdsustuvad, ja jääb siis tasaseks. Murdepunkt on stöhhiomeetriline punkt; edasine lisand jääb üle.

Üle 100% tähendab saastet või mõõteviga 🖖

Teoreetiline saagis on aatomite jäävuse seatud ülempiir. Üle 100% ei ületa stöhhiomeetriat: toode on tavaliselt märg või ebapuhas või mõõdeti mõni mass valesti.

Ülesanded täielikult lahendatud

Kaheksa grammi vesinikku, nelikümmend hapnikku ning hapnik lõpeb esimesena 6 sammu
Põleta 8 g vesinikku 40 g hapnikuga: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Tee kindlaks, milline reageent piirab reaktsiooni, arvuta vee mass ja leia, mis jääb anumasse järele. Seejärel arvuta täpselt, kui palju hapnikku oleks veel vaja, et midagi ei jääks järele.
1. Mass ei ütle midagi enne, kui see on teisendatud moolideks, sest reaktsioonivõrrand loendab molekule. H₂ on 2 × 1,008 = 2,016 g/mol ja O₂ on 2 × 15,999 = 31,998 g/mol.
  
  $M (H_{2}) = 2.016, M (O_{2}) = 31.998 g mo l^{- 1}$
2. Jaga. 8 ÷ 2,016 = 3,9683 mol H₂ ja 40 ÷ 31,998 = 1,2501 mol O₂. Osakeste arvu järgi on vesinikku 3,17 korda rohkem, kuigi selle mass on vaid viiendik hapniku massist.
  
  $n (H_{2}) = \frac{8}{2.016} = 3.9683, n (O_{2}) = \frac{40}{31.998} = 1.2501 mol$
3. Nüüd jaga kummagi aine hulk selle kordajaga – see on samm, mis otsustab kõik: H₂ puhul saab 3,9683 ÷ 2 = 1,9841 ja O₂ puhul 1,2501 ÷ 1 = 1,2501. Väiksem arv näitab seda ainet, mis otsa saab, seega hapnik on piirav reageent – seda on massilt viis korda rohkem kui teist reageenti, kuid just sellest tuleb puudus.
  
  $\frac{3.9683}{2} = 1.9841 > \frac{1.2501}{1} = 1.2501 \Rightarrow O_{2} limits$
4. See väikseim suhe, 1,2501, näitab, mitu korda saab kogu reaktsioon toimuda. Vett tekib iga korraga 2 molekuli ning H₂O molaarmass on 18,015 g/mol, seega saagis on 1,2501 × 2 × 18,015 = 45,04 g.
  
  $m (H_{2} O) = 1.2501 \times 2 \times 18.015 = 45.04 g$
5. Kontrolli anumat. Reaktsioon kulutab 2 × 1,2501 = 2,5002 mol H₂, mis on 5,04 g, jättes 2,96 g vesinikku põlemata. Algne mass oli 48 g; lõplik mass on 45,04 + 2,96 = 48,00 g, mis on arvutuse enesekontroll.
  
  $8 - 2 \times 1.2501 \times 2.016 = 2.96 g H_{2} left, 45.04 + 2.96 = 48.00 g$
6. Selleks et midagi ei jääks üle, peab hapniku suhe jõudma vesiniku suhteni 1,9841, seega 1,9841 × 31,998 = 63,49 g. Puudu on 23,49 g ning täpselt selle koguse lisamine suurendab saagise 71,49 grammini. Üks gramm rohkem sellest ei anna enam midagi juurde.
  
  $1.9841 \times 31.998 = 63.49 g \Rightarrow 23.49 g more, yield 71.49 g$
Vastus

Limiteeriv reagent on hapnik, vee saagis on 45,04 g, vesinikku jääb üle 2,96 g ning selle ärakasutamiseks oleks vaja veel 23,49 g hapnikku. Siin ei peitu lõks arvutamises, vaid selles, et mass näib väljendavat reagendi hulka, ehkki ei väljenda. Anumas on hapniku mass viis korda suurem kui vesiniku mass, kuid hapniku osakesi on vesiniku omadest alla kolmandiku. Reaktsioonivõrrand arvestab ainult osakeste arvu. Sageli unustatakse ainehulk stöhhhiomeetrilise kordajaga jagada. Just seepärast saadakse nii ebavõrdsete lähteandmetega reaktsiooni korral täpselt vastupidine vastus. Liugurit liigutades tuleb nähtavale ka graafiku murdepunkti põhjus: kuni 63,49 g-ni annab iga lisagramm hapnikku veel 1,126 g vett; sellest piirist edasi on vesinik juba otsas ja graafik jääb rõhtsaks.
28,4 grammi kogutud ammoniaaki, 84% saagis ja koht, kuhu puuduv 5,4 jäi 5 sammu
Laadi eelseadistus, millel on tegelik saagis: 28 g lämmastikku, 6 g vesinikku, 28,4 g kogutud ammoniaaki. Arvuta protsentuaalne saagis ja otsusta siis, kas puuduolev võiks ikka veel anumas olla.
1. Ülempiiri määrab see reageent, mis esimesena otsa saab. Kuus grammi vesinikku on 2,9762 mol, mis kordajaga 3 jagatuna annab 0,9921 võrrandi läbimist; lämmastik pakub 0,9995. Piirab vesinik, umbes kolme neljandiku protsendi võrra, ja 0,9921 ongi see, mida näitab väikseima mool ÷ kordaja kaart.
  
  $\frac{6}{2.016} = 2.9762 \Rightarrow \frac{2.9762}{3} = 0.9921 < \frac{28}{28.014} = 0.9995$
2. Iga läbimine teeb kaks ammoniaaki ja NH₃ on 17,031 g/mol, nii et rohkem kui 33,792 g see anum toota ei suuda. See on ülempiir, mille määravad sissepandud aatomid. Miski selles ei tea, kas reaktsioon üldse toimub.
  
  $m_{m a x} (N H_{3}) = 0.9921 \times 2 \times 17.031 = 33.792 g$
3. Jaga kogutud mass ülempiiriga ja protsentuaalne saagis on 84,0%. 5,392 g jääb seletamata.
  
  $η = \frac{28.4}{33.792} = 84.0%, 33.792 - 28.4 = 5.392 g$
4. Kas see võiks olla veel anumasse jäänud reageent? Võta tööriista sõna-sõnalt: lämmastikku on üle 0,208 g, ja isegi kui kogu see oleks reageerinud, oleks see lisanud 0,253 g ammoniaaki — vähem kui kahekümnendiku puudujäägist —, pealegi polnud sellel enam vesinikku, millega reageerida. Aga needsamad 0,208 g on ise arvutatud eeldusel, et reaktsioon läks lõpuni. Kuna 5,392 g selle eelduse järgi seletust ei leia, on just eeldus see, mis läbi kukkus.
  
  $(0.9995 - 0.9921) \times 28.014 = 0.208 g N_{2} \Rightarrow \frac{0.208}{28.014} \times 2 \times 17.031 = 0.253 g$
5. Ülempiir arvutatakse sissepandust, nii et see nihkub koos sisendiga. Pane 6,000 g vesiniku asemel 6,045 g — täpselt nii palju, kui 28 g lämmastikku küsib — ja piiravaks reageendiks saab lämmastik, ülempiir tõuseb 34,045 grammini ning needsamad 28,4 g kogutud ammoniaaki annavad nüüd 83,4%.
  
  $0.9995 \times 3 \times 2.016 = 6.045 g H_{2} \Rightarrow m_{m a x} = 34.045 g \Rightarrow η = \frac{28.4}{34.045} = 83.4%$
Vastus

84,0%, ja ei: puuduvast 5,392 grammist oli kolvis kohta ülimalt 0,253 grammil. Puudujääk näitab, et reaktsioon ei läinud lõpuni. Teoreetiline saagis on aatomite loendus ega ütle midagi selle kohta, kui kaugele pöörduv reaktsioon ühe läbimisega jõuab, ja ammoniaagi süntees on just see standardnäide, mis kaugele ei jõua — sellepärast juhivadki tehased reageerimata gaasi ringlusse, selle asemel et ühe läbimise numbriga leppida.

Nimetaja väärib sama kahtlust kui lugeja, sest kaalutud on ainult lugejat. Murru alumine pool tuletatakse sellest, mis sisse pandi, nii et kaks katset, mis koguvad ühesugused 28,4 g, annavad 84,0% või 83,4% — sõltuvalt sellest, kui palju vesinikku lämmastiku kõrvale pandi. Protsentuaalne saagis ilma sissepandud kogusteta on pool mõõtmist, ja just see pool, mida on kergem paigast nihutada.

$η = \frac{m _{obs}}{ν _{p} M _{p} min _{i} ( n _{i} / ν _{i} )}$

Piirav reagent ja stöhhiomeetria

Piirav reagent ei ole see, mida on kõige vähem 🖖

Saagis on kaks sirget murdepunktiga 🖖

Üle 100% tähendab saastet või mõõteviga 🖖

Näiteülesanded