En balanserad reaktionsformel är en beskrivning av en kemisk reaktion. Den talar om två saker: vilka ämnen som reagerar och bildas vid reaktionen, samt i vilka proportioner ämnena reagerar och bildas. Dessa proportioner kallas för molförhållanden (ibland substansmängdförhållande), och det är precis det som den här artikeln kommer handla om.
Låt oss titta på denna enkla reaktionsformel:
\( a\text{A} + b\text{B}\: \longrightarrow \:c\text{C} + d\text{D}\,.\)
Ämnena A och B reagerar och bildar C och D. De små bokstäverna kallas koefficienter och anger proportionerna. Exempelvis kan vi i reaktionsformeln avläsa följande saker:
- Om vi har a stycken molekyler av A kan vi bilda d stycken molekyler av D.
- Om vi har 2a molekyler av A kan vi bilda 2d molekyler av D.
- Om vi har a dussin molekyler av A kan vi bilda d dussin molekyler av D.
- Om vi har a mol av A kan vi bilda d mol av D.
Vad som är gemensamt för alla exemplen ovan är att förhållandet mellan substansmängden A och substansmängden D är detsamma, nämligen a:d. Om vi vill uttrycka det matematiskt kan vi säga att
\( \frac{{n}(\text{A})}{n(\text{D})} = \frac{a}{d} \Leftrightarrow \frac{n(\text{A})}{a} = \frac{n(\text{D})}{d}\,.\)
Detsamma gäller med alla ingående element i reaktionsformeln. Vi kan därför skriva att
\(\frac{n(\text{A})}{a}=\frac{n(\text{B})}{b}=\frac{n(\text{C})}{c}=\frac{n(\text{D})}{d}\,.\)
och om vi då vill räkna ut substansmängden av C som bildas då vi har en viss substansmängd av A gör vi på detta sätt:
\(\frac{n(\text{A})}{a}=\frac{n(\text{C})}{c} \Leftrightarrow n(\text{C})=\frac{c\cdot n(\text{A})}{a}\,.\)
På detta sätt kan vi bygga längre formler eller bestämma begränsande reaktant.
Begränsande reaktant
För att bestämma eller motivera vilken reaktant som är begränsande börjar vi med att ställa upp molförhållandet för reaktionen i fråga.
A och B är våra reaktanter.
Om \(\frac{n(\text{A})}{a} = \frac{n(\text{B})}{b}\) så kommer A och B båda att kunna reagera fullt ut.
Om \( \frac{n(\text{A})}{a} > \frac{n(\text{B})}{b}\) så är B den begränsande reaktanten.
Om \(\frac{n(\text{A})}{a} <\frac{n(\text{B})}{b}\) så är A den begränsande reaktanten.
Sammanfattningsvis är det alltså det bråk som är minst som är den begränsande reaktanten. Detta är det snabbaste och smidigaste sättet att upptäcka den begränsande reaktanten i en reaktion (såvida det inte är helt uppenbart vid första anblicken).
Övningsuppgifter
I reaktionen:
\( 3\text{A} + \text{B}\: \longrightarrow \:\text{C} + 2\text{D}\,.\)
Hur många mol av D kan skapas om vi har 0,9 mol av A, och inga andra begränsande reaktanter?
0,6 mol av D kan skapas av 0,9 mol av A.
Vi ställer upp den allmänna formeln för molförhållandet i reaktionen mellan A och D:
\(\frac{n(\text{A})}{a}=\frac{n(\text{D})}{d}\)
Vi justerar så att formeln beräknar n(D) (substansmängden av D):
\(\frac{n(\text{A}) \cdot d}{a} =n(\text{D})\)
Vi sätter till sist in alla värden:
\(\frac{0,9 \cdot 2)}{3} =n(\text{D}) = 0,6 mol\)
Din kemilärare tycker om krångliga kemiska reaktioner. Av denna anledning ska reaktionen nedan genomföras på en av dina kemilaborationer.
\( 4\text{A} + 3\text{B} + 5\text{C}\: \longrightarrow \:2\text{D} + 3\text{E}\,.\)
Du har lagt in en viss massa med reaktanter i reaktionskärlet, och därefter räknat om det till substansmängder enligt nedan:
0,372 mol av A.
0,276 mol av B.
0,459 mol av C.
Vilken reaktant är begränsande i reaktionen?
C är den begränsande reaktanten.
Vi börjar med att ställa upp sambandet mellan de olika reaktanterna enligt molförhållandet:
\(\frac{n(\text{A})}{a} \Leftrightarrow \frac{n(\text{B})}{b} \Leftrightarrow \frac{n(\text{C})}{c}\)
När man pratar om begränsande reaktant är det bråket som är minst som är den begränsande reaktanten.
Vi lägger alltså in värden och ser vilket bråk som är minst:
\(\frac{n(\text{A})}{a} \Leftrightarrow \frac{n(\text{B})}{b} \Leftrightarrow \frac{n(\text{C})}{c}\)
\(\frac{0,372}{4} \Leftrightarrow \frac{0,276}{3} \Leftrightarrow \frac{0,459}{5}\)
\(0,093 \Leftrightarrow 0,092 \Leftrightarrow 0,0918\)
Bråket som är minst är det för C. Alltså är C den begränsande reaktanten.
Detta är en uppgift som kräver att du sållar i tillgänglig information, och tänker i flera steg. Varje steg kommer att gås igenom separat. Försök att lösa uppgiften utan att först kolla på lösningen eller svaret. Om ditt svar inte stämmer, kolla på ledtrådarna. Försök därefter att lösa uppgiften igen.
Du råkar jobba i en kemisk anläggning som producerar bland annat salpetersyra via Ostwaldprocessen. Personen som vanligtvis hanterar övervakningen av de kemiska processerna är idag sjukanmäld. Då du har läst gymnasiekemi tycker du att du är väl lämpad att hoppa in i rollen som processansvarig.
Du läser i instruktionsmanualen att första steget i processen är följande reaktion:
\(4\text{NH}_3 \text{(g)} + 5\text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 4\text{NO(g)} + 6\text{H}_2\text{O} \text{(g)} (\Delta \text{H} = -905,2 kJ)\)
Det står dessutom att utbytet för reaktionen är 100%.
Du trycker lite på en display och får reda på att temperaturen i kammaren är 20 grader. Det står att volymen på kammaren är 21 m3. Du trycker på ytterligare några knappar och får reda på att du precis har släppt in en viss volym med NH3 och O2 i reaktionskammaren. Med hjälp av ideala gaslagen konstaterar du att denna volym av respektive gas motsvarar 374 mol NH3 och 460 mol O2. Framgången är nära, och du trycker på ”Start” för att öka temperaturen i kammaren. Reaktionen startar. Din chef kommer in i rummet och frågar vad du gör för något. Displayen visar texten ”Reaktion slutförd”.
Hur mycket NO har du skapat?
Svar: Du har skapat 368 mol NO i reaktionen.
Du kan behöva beräkna en begränsande reaktant.
Efter att ha beräknat den begränsande reaktanten behöver du använda molförhållandet med den begränsande reaktanten för att beräkna ditt svar.
Det finns många faktauppgifter som inte behövs i uppgiften. Varken temperatur, volym på reaktionskärlet, eller entalpiförändring spelar någon roll för våra beräkningar.
Uppgiften som sådan är en tvåstegsuppgift. Först måste vi bestämma vilken reaktant som är den begränsande, och därefter använder vi molförhållandet för att beräkna hur mycket NO vi har skapat. Vi börjar alltså med molförhållandet. Den allmänna formen för molförhållandet mellan reaktanterna är:
\(\frac{n(\text{A})}{a} \Leftrightarrow \frac{n(\text{B})}{b}\)
\(\frac{n(\text{NH}_3)}{4} \Leftrightarrow \frac{n(\text{O}_2)}{5}\)
Vi lägger in värdena och ser vilket bråk som är minst.
\(\frac{374}{4} \Leftrightarrow \frac{460}{5}\)
\(93,5 \Leftrightarrow 92\)
Bråket för O2 är minst, vilket innebär att syrgasen är den begränsande reaktanten.
Då syrgasen är den begränsande reaktanten innebär det att vi måste använda syrgasen som grund när vi beräknar hur mycket av NO vi kan skapa. Vi ställer upp molförhållandet mellan O2 och NO:
\(\frac{n(\text{O}_2)}{5} = \frac{n(\text{NO})}{4}\)
Vi flyttar om i formeln för att beräkna substansmängden av NO:
\(n(\text{NO}) = \frac{n(\text{O}_2)\cdot 4}{5}\)
Vi sätter in värdet för O2 och beräknar:
\(n(\text{NO}) = \frac{460 mol \cdot 4}{5} = 368 mol\)
Svar: Du har skapat 368 mol NO i reaktionen.