한계반응물과 과잉반응물 계산(결정) ★

한계반응물과 과잉반응물 계산(결정)

 

 

한계반응물과 과잉반응물 계산(결정)은 어떻게 하는 건가요?

 

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▶ 참고: 제3장 화학량론. 목차

[ https://ywpop.tistory.com/15189 ]

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▶ 한계 반응물. limiting reactant

> 화학 반응에서 다른 반응물들보다 먼저 완전히, 전부 소비되는 반응물

( 이 때문에 반응 후 한계 반응물은 존재하지 않는다. )

> 한계 반응물이 생성물의 양을 결정한다.

( 이 때문에 이름이 한계 반응물 )

 

 

▶ 과잉 반응물. excess reactant

> 반응이 끝났을 때 반응 용기에 남아있는 반응물

> reactants that are not used up when the reaction is finished

 

 

 

[참고] 반응 후, 반응 용기에 남아있는(존재하는) 물질

---> [생성물] + [미반응 과잉 반응물]

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/22744 ] P4 + 6Cl2 → 4PCl3

 

 

 

 

가장 먼저 균형 맞춘 화학 반응식을 완성해야 합니다.

 

예를 들어 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성한다면,

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

 

N2 : H2 = 1 : 3 계수비(= 몰수비) 이므로,

이 반응에서 질소 1 mol과 화학량론적으로 반응하는 수소의 양은 3 mol입니다.

 

 

 

[Case 1] 만약 질소 2 mol과 수소 7 mol을 반응시키면,

즉, 반응 용기 안에 질소 2 mol과 수소 7 mol이 존재한다면,

 

N2 : H2 = 1 : 3 계수비(= 몰수비) 이므로,

질소 2 mol과 화학량론적으로 반응하는 수소의 몰수를 계산하면,

즉, 질소 2 mol 전부와 반응하는데 필요한 수소의 몰수를 계산하면,

N2 : H2 = 1 : 3 = 2 mol : ? mol

? = 3 × 2 = 6 mol H2

---> 반응 용기 안에 수소는 7 mol 있으므로, 수소는 반응하고도 남는다.

---> 수소는 남는다? = 수소는 과잉 반응물!

---> 따라서 질소가 한계 반응물.

( 두 반응물 중, 하나가 과잉 반응물이면, 나머지 하나는 자동으로 한계 반응물. )

 

 

 

[Case 2] 만약 질소 2 mol과 수소 5 mol을 반응시키면,

즉, 반응 용기 안에 질소 2 mol과 수소 5 mol이 존재한다면,

 

N2 : H2 = 1 : 3 계수비(= 몰수비) 이므로,

질소 2 mol과 화학량론적으로 반응하는 수소의 몰수를 계산하면,

N2 : H2 = 1 : 3 = 2 mol : ? mol

? = 3 × 2 = 6 mol H2

---> 반응 용기 안에 수소는 5 mol 있으므로, 수소는 부족하다.

---> 수소는 부족하다? = 수소가 한계 반응물!

( 이 경우, 부족한 수소의 양에 맞춰 질소가 반응할 것이고,

반응 후 질소는 남을 것이므로, 질소는 과잉 반응물이 된다. )

 

 

 

 

[참고] 각 반응물이 용액의 농도와 부피로 주어지거나,

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/19663 ] 0.270 M Ba(OH)2 45.0 mL + 0.330 M Al2(SO4)3 28.0 mL 반응

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/18989 ] 3.0 M AgNO3 200 mL + 0.9 M CuCl2 350 mL 반응

 

 

또는 질량으로 주어지면,

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/8858 ] 995 g CH4 + 2510 g H2O 반응

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/19665 ] 168.0 g ClO2 + 39.7 g H2O 반응

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/19302 ] 50 g LiAlH4 + 100 g BF3 반응

 

 

일반적으로 각 반응물의 몰수를 먼저 구합니다.

단, 질량으로 주어졌을 경우에는 질량비로 계산할 수도 있습니다.

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/18627 ] 2 g H2 + 22 g O2 반응

 

 

반응형

 

 

[참고] 이런 문제를 간단히(쉽게) 출제한다면,

어느 한 반응물을 과량(excess) 사용했다고 나오는 경우입니다.

A, B 두 반응물 중, 만약 A 반응물을 과량 사용했다면,

B 반응물이 한계 반응물이 됩니다.

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/9309 ] 14.5 L 산소 + 과량의 ZnS 반응

 

 

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※ 생성물의 양은 한계 반응물의 양에 의해 결정됩니다.

 

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) 반응에서,

 

1) 만약 N2가 한계 반응물이고, 반응한 N2의 몰수가 2.5 mol이라면,

이때 생성되는 NH3의 몰수를 계산하면,

N2 : NH3 = 1 : 2 계수비(= 몰수비) 이므로,

N2 : NH3 = 1 : 2 = 2.5 mol : ? mol

? = 2 × 2.5 = 5 mol NH3

 

 

2) 만약 H2가 한계 반응물이고, 반응한 H2의 몰수가 4.5 mol이라면,

이때 생성되는 NH3의 몰수를 계산하면,

H2 : NH3 = 3 : 2 계수비(= 몰수비) 이므로,

H2 : NH3 = 3 : 2 = 4.5 mol : ? mol

? = 2 × 4.5 / 3 = 3 mol NH3

 

 

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2개 식빵 사이에 치즈 1장과 햄 1장을 넣어 치즈버거를 만들 때,

2식빵 + 1치즈 + 1햄 → 1치즈버거

 

 

 

치즈와 햄이 각각 100장씩 있어도 식빵이 10장밖에 없다면,

치즈버거는 5개밖에 못 만듭니다.

 

생성물(치즈버거)의 mol수 또는 질량(개수)은

한계반응물(식빵)의 mol수 또는 질량(개수)에 의해 결정됩니다.

 

식빵 = 한계 반응물 (한계 시약, limiting reagent)

치즈, 햄 = 과잉 반응물 (과잉 시약, excess reagent)

 

 

 

 

① 치즈와 햄이 각각 100장씩 있고 식빵이 11장 있다면,

치즈버거는 5개 만들 수 있다.

---> 이때 식빵도 1개가 남는다.

 

 

② 치즈와 햄이 각각 1000장씩 있고 식빵이 110장 있다면,

치즈버거는 55개 만들 수 있다.

---> 남는 식빵은 없다.

 

식빵 : 치즈버거 = 2 : 1 = 110장 : ?개

 

? = 110 / 2 = 55개

 

 

③ 치즈와 햄이 각각 1.000×10^23 장씩 있고 식빵이 1.10×10^22 장 있다면,

치즈버거는 5.5×10^21 개 만들 수 있다.

---> 남는 식빵은 없다.

 

 

 

 

[팁] 어떤 반응물을 한계 반응물로 선택해야 할까?

- 가격이 비싼 반응물

- 구하기 어려운 반응물

- 반응 후 남으면 제거하기(분리하기, 버리기) 곤란한 반응물

 

반대로, 어떤 반응물을 과잉 반응물로 선택해야 할까?

- 가격이 싼 반응물

- 구하기 쉬운 반응물

- 반응 후 제거하기, 분리하기 쉬운 반응물

- 덜 유독한 반응물

 

 

 

※ 과잉반응물의 과잉백분율

과잉률 = [(공급량 - 한계반응물과 반응한 양) / 한계반응물과 반응한 양] × 100

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/61 ] 수득 백분율, 수득률, 수율

 

 

 

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