Artan Reaktan Miktarı Nasıl Hesaplanır?

Tepkime denklemi ve stokiyometrik oran

Artan madde hesabına başlamadan önce tepkime denklemi mutlaka denkleştirilmelidir. Denkleştirme, tepkimeye giren ve oluşan maddelerdeki her elementin atom sayısının iki tarafta eşit olmasını sağlar. Denklemin başına yazılan katsayılar, maddelerin tepkimede hangi mol oranlarında harcandığını gösterir; bu orana stokiyometrik oran denir.

Örneğin hidrojen ile azotun amonyak oluşturduğu denklem N2 + H2 → NH3 biçiminde yazılırsa atom sayıları eşit değildir. Dengelenmiş denklem N2 + 3H2 → 2NH3 olur. Buna göre 1 mol N2, 3 mol H2 ile tepkimeye girer ve 2 mol NH3 oluşur. Katsayılar madde miktarlarını değil, maddeler arasındaki mol ilişkisini gösterir. Bu nedenle başlangıç miktarlarını karşılaştırırken doğrudan gramları değil, önce mol miktarlarını kullanmak gerekir.

Sınırlayıcı reaktanın belirlenmesi

Sınırlayıcı reaktan, tepkime ilerlerken ilk tamamen tükenen ve oluşabilecek ürün miktarını belirleyen reaktandır. Bu madde tükendiğinde diğer reaktan başlangıçta bulunuyor olsa bile tepkime aynı koşullarda devam edemez. Tamamen tükenmeyen reaktan ise fazla bulunan, yani artan reaktandır.

Sınırlayıcı reaktanı bulmak için önce tüm reaktanların miktarları mole çevrilir. Sonra her reaktanın mol miktarı, denkleştirilmiş denklemdeki katsayısına bölünür. En küçük değer, tepkimenin kaç oransal tepkime ilerleyebileceğini gösterir ve bu değeri veren reaktan sınırlayıcıdır. Çünkü o madde, gerekli stokiyometrik orana göre diğerlerinden daha erken tükenir.

Örneğin N2 + 3H2 → 2NH3 tepkimesinde 2 mol N2 ve 5 mol H2 bulunsun. N2 için 2 / 1 = 2, H2 için 5 / 3 = 1,67 oranı elde edilir. Küçük oran H2'ye ait olduğundan sınırlayıcı reaktan H2'dir. Başka bir ifadeyle 2 mol N2'nin tamamının tüketilmesi için 6 mol H2 gerekirdi; ortamda yalnızca 5 mol H2 bulunduğu için N2'nin tamamı harcanamaz.

Tüketilen reaktan miktarının hesaplanması

Sınırlayıcı reaktan belirlendikten sonra, onun tamamen tükendiği kabul edilir. Diğer reaktanın ne kadarının tüketileceği ise denkleştirilmiş tepkime katsayıları arasındaki oranla hesaplanır. Böylece başlangıçta fazla bulunan reaktanın tepkime boyunca harcanan miktarı bulunur.

Örnekte sınırlayıcı reaktan 5 mol H2'dir. Denklemde 3 mol H2, 1 mol N2 ile tepkimeye girdiği için 5 mol H2'nin tüketeceği N2 miktarı şu orandan bulunur: tüketilen N2 = 5 × 1 / 3 = 5/3 mol. Başlangıçta 2 mol N2 olduğundan bunun yalnızca 5/3 molü tepkimeye katılır; N2'nin kalan kısmı artan reaktan olur.

Aynı işlem ürün miktarı için de kullanılabilir; ancak burada amaç artan reaktanın hesaplanması olduğundan önce sınırlayıcı reaktanın tamamı kullanılır. Tüketim hesabında başlangıç miktarı değil, sınırlayıcı reaktanın gerçekten tepkimeye soktuğu miktar esas alınmalıdır. Sınırlayıcı reaktanın katsayısı ile fazla reaktanın katsayısı arasındaki oran yanlış kurulursa kalan miktar da yanlış çıkar.

Artan reaktan miktarının mol cinsinden bulunması

Artan reaktanın mol miktarı, başlangıçta bulunan mol miktarından tepkimede tüketilen mol miktarının çıkarılmasıyla bulunur. Temel bağıntı şöyledir: artan reaktan molü = başlangıç reaktan molü − tüketilen reaktan molü. Sonucun pozitif olması, o reaktanın gerçekten fazla bulunduğunu gösterir.

N2 + 3H2 → 2NH3 tepkimesinde başlangıçta 2 mol N2 vardır. Sınırlayıcı olan 5 mol H2, 5/3 mol N2 tüketir. Bu nedenle artan N2 miktarı 2 − 5/3 = 1/3 mol olur. H2 sınırlayıcı olduğundan H2'nin artan miktarı 0 moldür.

Hesaplamayı kontrol etmek için bulunan tüketilen miktar tekrar katsayı oranına yerleştirilebilir. 5/3 mol N2, 3 × 5/3 = 5 mol H2 ile eşleşir; bu da başlangıçtaki H2 miktarının tamamına karşılık gelir. Böylece N2'nin 1/3 molünün tepkimeye girmeden kaldığı doğrulanır. Gaz hacmi veya çözelti derişimi de verilen kapsamlı tepkime hesaplamaları, bu temel adımların daha ileri uygulamalarını içerir.

Artan reaktan miktarının gram cinsinden bulunması

Artan reaktanın mol miktarı bulunduktan sonra bunu grama çevirmek için mol kütlesi kullanılır. Bağıntı şöyledir: artan reaktan kütlesi = artan reaktan molü × mol kütlesi. Mol kütlesi, ilgili bileşiğin formülündeki atomların bağıl atom kütleleri toplanarak hesaplanır.

Örnekte artan N2 miktarı 1/3 moldür. N2'nin mol kütlesi yaklaşık 28 g/mol olduğundan artan N2 kütlesi (1/3) × 28 = 28/3 g, yani yaklaşık 9,33 g olur. Başlangıçta 2 mol N2 bulunduğu için başlangıç kütlesi 56 g'dı; tepkimede tüketilen 5/3 mol N2'nin kütlesi yaklaşık 46,67 g ve kalan miktar yaklaşık 9,33 g'dır.

Gram cinsinden sonuç isteniyorsa doğrudan gramları tepkime katsayılarıyla karşılaştırmak doğru değildir. Önce her reaktanın molü bulunmalı, sınırlayıcı reaktan belirlenmeli ve kalan mol miktarı hesaplandıktan sonra mol kütlesiyle çarpılmalıdır. Teorik verim ve yüzde verim, ürünün elde edilen miktarını karşılaştıran ayrı hesaplamalardır.