Jak obliczyć nadmiar odczynnika w reakcji chemicznej?
Nadmiar odczynnika to ilość substratu, która pozostaje nieprzereagowana po zakończeniu reakcji. Obliczysz go, odejmując od ilości początkowej ilość faktycznie zużytą. Najpierw trzeba jednak wskazać reagent ograniczający, czyli ten, który wyczerpie się jako pierwszy.
Czym jest nadmiar odczynnika?
Reakcja chemiczna przebiega zgodnie ze stosunkiem molowym wynikającym z jej równania. Jeżeli jeden z substratów wprowadzono w większej ilości, niż potrzeba do całkowitego zużycia drugiego, część tego substratu pozostanie w mieszaninie poreakcyjnej. Ta pozostała ilość jest nadmiarem odczynnika.
Reagent, który zużywa się pierwszy, nazywa się reagentem ograniczającym lub limitującym. To właśnie on wyznacza maksymalną ilość produktów oraz ilość drugiego substratu, która może rzeczywiście przereagować.
Nie należy utożsamiać nadmiaru z krotnością stechiometryczną. Jeśli według równania potrzeba 1 mola tlenu, a wprowadzono 10 moli, użyto dziesięciokrotnej ilości stechiometrycznej. Po reakcji pozostanie jednak 9 moli tlenu, czyli rzeczywisty nadmiar wyniesie 9 moli.
W niektórych podręcznikach lub zbiorach zadań słowo „nadmiar” bywa używane jako określenie krotności ilości stechiometrycznej. Przy obliczeniach trzeba sprawdzić, czy zadanie pyta o ilość pozostałą po reakcji, czy o stosunek ilości użytej do wymaganej stechiometrycznie.
Jak krok po kroku obliczyć nadmiar?
Uniwersalny schemat opiera się na porównaniu dostępnych ilości substratów ze współczynnikami w równaniu reakcji:
- Zapisz i uzgodnij równanie reakcji – współczynniki określają stosunki molowe reagujących substancji.
- Przelicz dane na mole – masę przelicz za pomocą wzoru n = m/M, a objętość gazu w tych samych warunkach możesz porównać proporcjonalnie do liczby moli.
- Porównaj ilości ze stechiometrią – sprawdź, ile drugiego substratu potrzeba do całkowitego zużycia pierwszego.
- Wskaż reagent ograniczający – jest nim substrat, którego zabraknie jako pierwszego.
- Oblicz ilość zużytą odczynnika w nadmiarze – korzystaj ze stosunku molowego z równania i ilości reagenta ograniczającego.
- Odejmij ilość zużytą od początkowej – stosuj wzór nadmiar = ilość początkowa − ilość przereagowana.
Nie wolno obliczać ilości produktów ani zużycia drugiego substratu na podstawie reagenta w nadmiarze. Taka ilość jest większa, niż pozwala na to dostępny reagent ograniczający.
Przykład obliczeniowy – synteza wody
Rozważmy reakcję:
2H2 + O2 → 2H2O
Do naczynia wprowadzono 2 mole wodoru i 2 mole tlenu. Z równania wynika, że 2 mole wodoru reagują z 1 molem tlenu. Do całkowitego zużycia wodoru potrzeba więc tylko 1 mola tlenu. Dostępne są 2 mole, dlatego tlen występuje w nadmiarze, a wodór jest reagentem ograniczającym.
| Substrat lub produkt | Ilość początkowa | Ilość przereagowana lub powstała | Ilość końcowa |
|---|---|---|---|
| H2 | 2 mol | 2 mol zużyte | 0 mol |
| O2 | 2 mol | 1 mol zużyty | 1 mol nadmiaru |
| H2O | 0 mol | 2 mol powstały | 2 mol |
Obliczenie nadmiaru tlenu jest proste:
n(O2)nadmiaru = 2 mol − 1 mol = 1 mol
Reagentem ograniczającym jest wodór, ponieważ jego ilość dokładnie odpowiada proporcji z równania. Tlen nie może w całości przereagować, gdyż po zużyciu wodoru nie ma już substratu, z którym mógłby reagować.
Jak nie pomylić nadmiaru z krotnością?
Krotność mówi, ile razy ilość wprowadzona jest większa od ilości wymaganej przez równanie. Nadmiar opisuje natomiast ilość, która faktycznie pozostaje po reakcji.
Jeżeli potrzeba 1 mola odczynnika, a użyto 2 moli, to wprowadzono dwukrotność ilości stechiometrycznej. Nadmiar wynosi jednak 1 mol, ponieważ jeden mol został zużyty, a drugi pozostał.
Na egzaminie zwróć uwagę na następujące błędy interpretacyjne:
- Uznanie krotności za nadmiar – dwukrotna ilość stechiometryczna nie oznacza 2 moli nadmiaru, lecz 1 mol pozostający po reakcji, jeśli potrzeba było 1 mola.
- Wybranie niewłaściwego reagenta – obliczenia należy oprzeć na substracie ograniczającym, a nie na tym, którego pozostanie po reakcji.
- Pominięcie współczynników równania – stosunek mas lub objętości nie zawsze odpowiada stosunkowi molowemu.
- Brak odejmowania ilości zużytej – sama ilość początkowa nie jest nadmiarem, ponieważ jej część mogła przereagować.
Najbezpieczniejsza zasada brzmi: najpierw znajdź reagent ograniczający, potem oblicz zużycie drugiego substratu, a na końcu odejmij tę wartość od ilości początkowej.
