pkujiahe/iStock/GettyImages

Stel je voor dat je cupcakes versiert met hagelslag. Voor elke cupcake heb je een handvol hagelslag nodig, dus je hebt 12 cupcakes maar twee grote bakken hagelslag. Je hebt meer hagelslag dan cupcakes, maar toch versier je maar 12 cupcakes, want dat is de beperkende factor. In de chemie wordt de component die de productvorming beperkt het beperkende reagens genoemd . Zodra u dit heeft geïdentificeerd, kunt u de theoretische opbrengst berekenen —de maximale hoeveelheid product die u uit de uitgangsmaterialen kunt halen.

Het beperkende reagens identificeren

Beschouw de reactie waarbij ammoniak ontstaat uit waterstof en stikstof:

\(\mathrm{H_2+N_2\pijl naar rechts NH_3}\)

Deze vergelijking is uit balans. De uitgebalanceerde vorm is:

\(\mathrm{3H_2+N_2\pijl naar rechts 2NH_3}\)

Uit de uitgebalanceerde vergelijking zien we dat 3 mol waterstof 2 mol ammoniak produceert, en 1 mol stikstof ook 2 mol ammoniak produceert.

Stel dat je begint met 4,5 gram waterstof en 24 gram stikstof. Om het beperkende reagens te bepalen, converteert u eerst massa's naar mol met behulp van de molaire massa's (H₂=2,02gmol⁻¹, N₂=28,02gmol⁻¹):

\(\mathrm{4.5\,g\,H_2\left(\dfrac{1\,mol\,H_2}{2.02\,g\,H_2}\right)=2.23\,mol\,H_2}\)

\(\mathrm{24\,g\,N_2\left(\dfrac{1\,mol\,N_2}{28.02\,g\,N_2}\right)=0,86\,mol\,N_2}\)

Bereken met behulp van de stoichiometrische verhouding hoeveel stikstof nodig is om alle 2,23 mol waterstof te verbruiken:

\(\mathrm{2.23\,mol\,H_2\left(\dfrac{1\,mol\,N_2}{3\,mol\,H_2}\right)=0,74\,mol\,N_2}\)

Bereken op dezelfde manier de waterstof die nodig is voor alle 0,86 mol stikstof:

\(\mathrm{0,86\,mol\,N_2\left(\dfrac{3\,mol\,H_2}{1\,mol\,N_2}\right)=2,58\,mol\,H_2}\)

Omdat je slechts 2,23 mol waterstof hebt – minder dan de 2,58 mol die nodig is om te reageren met de beschikbare stikstof – is waterstof het beperkende reagens. Zodra de waterstof is opgebruikt, kan er geen ammoniak meer worden gevormd en blijft de resterende stikstof ongebruikt, net zoals er overtollige hagelslag overblijft nadat alle cupcakes zijn versierd.

Het theoretische rendement berekenen

Bereken, met waterstof geïdentificeerd als het beperkende reagens, de maximale hoeveelheid ammoniak die kan worden geproduceerd:

\(\mathrm{2.23\,mol\,H_2\left(\dfrac{2\,mol\,NH_3}{3\,mol\,H_2}\right)=1,49\,mol\,NH_3}\)

Deze waarde, 1,49 mol ammoniak, is de theoretische opbrengst:de hoogst haalbare hoeveelheid als elk molecuul waterstof perfect zou reageren.

In de praktijk verlopen chemische reacties zelden met 100% efficiëntie. Bijreacties kunnen een deel van de uitgangsmaterialen verbruiken, waardoor onbedoelde producten ontstaan. De werkelijke opbrengst is dus doorgaans lager dan de theoretische opbrengst, een concept dat analoog is aan het feit dat een broer of zus een cupcake steelt tijdens het versieren.