Đang tải bài học…

AP Chemistry

chất phản ứng giới hạn

limiting reactant

Còn gọi: limiting reagent · reagent

Chất phản ứng giới hạn là chất bị tiêu thụ hoàn toàn trước, khiến phản ứng dừng lại và giới hạn lượng sản phẩm tạo thành.

Trong bất kỳ phản ứng hóa học nào, lượng các chất tham gia hiếm khi nào cũng nằm đúng tỉ lệ hợp thức (stoichiometric ratio). Do đó, sẽ luôn có một chất bị tiêu thụ hoàn toàn trước những chất còn lại, khiến quá trình phản ứng phải dừng lại. Chất hết trước được gọi là chất phản ứng giới hạn, trong khi những chất còn sót lại sau phản ứng được gọi là chất phản ứng dư (excess reactants).

Để tìm ra chất này, ta lấy số mol ban đầu của mỗi chất chia cho hệ số tỉ lượng tương ứng của nó trong phương trình. $R_i = \frac{n_i}{\nu_i}$ Trong công thức trên, $n_i$ là số mol ban đầu của chất $i$ và $\nu_i$ là hệ số tỉ lượng của chất đó. Thương số nào nhỏ nhất thì chất tương ứng chính là chất giới hạn, vì nó sẽ cạn kiệt đầu tiên khi phản ứng tiến triển. Lượng sản phẩm tạo thành sẽ được tính toán hoàn toàn dựa vào số mol của chất này.

Nhờ đó, khi xác định đúng chất giới hạn, nhà hóa học mới có thể tính được hiệu suất lý thuyết (theoretical yield) của phản ứng. Ngược lại, nếu chọn sai chất để tính toán, kết quả thu được sẽ lớn hơn thực tế và dẫn đến sai số nghiêm trọng. Vì vậy, việc tìm ra chất hết trước là bước bắt buộc trong mọi bài toán hóa học liên quan đến lượng chất.

Ký hiệu

n_i, \nu_i

Trực giác: Giống như khi bạn có 10 chiếc bánh mì nhưng chỉ 3 lát thịt, số bánh mì thịt bạn làm được sẽ bị giới hạn bởi những lát thịt chứ không phải số bánh mì.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Khái niệm chất phản ứng giới hạn hình thành trong phần tính toán theo phương trình hóa học, nhằm trả lời câu hỏi: khi các chất ban đầu không được lấy đúng theo tỉ lệ của phương trình, lượng sản phẩm tối đa thu được bị chặn bởi cái gì. Các nguồn tra cứu không ghi rõ ai là người đầu tiên đặt ra tên gọi này, nên bài viết chỉ trình bày lý do khái niệm ra đời và lý do nó mang cái tên đó.

Trong thực tế phòng thí nghiệm và sản xuất, người ta hiếm khi cân các chất ban đầu đúng theo tỉ lệ hợp thức (stoichiometry) của phương trình. Một chất thường được lấy dư để chất kia phản ứng cho hết, hoặc đơn giản vì lượng có sẵn không khớp tỉ lệ. Khi đó phản ứng dừng lại ngay lúc một chất bị tiêu thụ hoàn toàn, dù các chất còn lại vẫn còn nguyên trong bình. Vì vậy hóa học cần một cách gọi tên riêng cho chất "cạn trước" ấy, bởi chính nó — chứ không phải chất nhiều nhất — quyết định lượng sản phẩm tối đa. Từ nhu cầu tính toán rất thực tế đó, khái niệm này trở thành một bước bắt buộc trong mọi bài toán định lượng.

Hay hiểu sai

Chất có khối lượng nhỏ hơn không phải lúc nào cũng là chất giới hạn.

Quên cân bằng phương trình trước khi so sánh là lỗi làm hỏng toàn bộ bài.

Lượng sản phẩm luôn tính từ chất giới hạn, không phải từ chất dư.

Chất giới hạn hết sạch không có nghĩa là phản ứng đạt hiệu suất 100%.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh cho 5.40 g nhôm kim loại vào 100.0 mL dung dịch HCl 3.00 M. Phản ứng xảy ra hoàn toàn theo phương trình

2\,\text{Al}(s) + 6\,\text{HCl}(aq) \rightarrow 2\,\text{AlCl}_3(aq) + 3\,\text{H}_2(g)

. Khí hydrogen sinh ra được thu qua nước và sau khi hiệu chỉnh, học sinh xác định được 0.138 mol

\text{H}_2

. Cho

M(\text{Al}) = 26.98

g/mol.

aXác định chất phản ứng giới hạn, kèm tính toán chứng minh.
bTính số mol $\text{H}_2$ thu được về mặt lý thuyết.
cTính khối lượng chất phản ứng còn dư sau khi phản ứng kết thúc.
dTính hiệu suất phần trăm của thí nghiệm.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyPhản ứng hóa học · bài “Tính toán hóa học (stoichiometry)” — khoá AP Chemistry

Cần trướchệ số tỉ lượng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

chất phản ứng dư (excess reagent)excess reagent

Khác nhau ở đâuChất phản ứng giới hạn bị tiêu thụ hết trước và quyết định lượng sản phẩm tối đa. Chất phản ứng dư còn thừa sau phản ứng và không quyết định lượng sản phẩm.

Hay nhầm khiKhi đề cho lượng của hai chất phản ứng, học sinh thường chọn chất có khối lượng hoặc số mol lớn hơn làm chất giới hạn mà không so sánh tỉ lệ mol với hệ số tỉ lượng.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 14, 25, 136.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn thẳng từ vai trò của chất này: nó giới hạn lượng sản phẩm có thể tạo thành. Một khi chất đó bị dùng hết, phản ứng không thể tiếp tục, nên dù các chất còn lại có nhiều đến đâu cũng không sinh thêm được sản phẩm. Trong tiếng Anh, cùng một khái niệm xuất hiện dưới ba biến thể gần như đồng nghĩa là "limiting reagent", "limiting reactant" và "limiting agent"; sự khác biệt chỉ nằm ở thói quen dùng từ giữa các sách, không nằm ở nội dung. Đối lập với nó là chất phản ứng dư (excess reactant), tức chất còn lại sau khi phản ứng đã dừng. Cách đặt tên theo cặp giới hạn — dư này giúp người học nhận ra ngay rằng bài toán luôn có hai vai trò: một chất định đoạt kết quả, một chất chỉ đi kèm.

Viết rõ cả ba dòng: mol từng chất, tỉ số mol chia hệ số, và câu kết luận chất nào giới hạn.

Khi đề cho thể tích và nồng độ mol, phải đổi sang mol trước khi so sánh.

Đừng quên câu hỏi phụ về lượng chất dư còn lại sau phản ứng.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

1Bước 1: Đổi cả hai lượng chất đã cho về số mol, vì hệ số trong phương trình là tỉ lệ mol chứ không phải tỉ lệ khối lượng. Với nhôm,

n_{\text{Al}} = \dfrac{5.40}{26.98} = 0.200

mol. Với dung dịch acid,

n_{\text{HCl}} = (0.1000\ \text{L})(3.00\ \text{M}) = 0.300

mol.

2Bước 2: So sánh lượng cần với lượng có. Nếu toàn bộ 0.200 mol Al phản ứng thì cần

0.200 \times \dfrac{6}{2} = 0.600

mol HCl, trong khi thực tế chỉ có 0.300 mol. Do đó HCl hết trước, tức HCl là chất phản ứng giới hạn, còn Al là chất phản ứng dư (excess reactant).

3Bước 3: Lượng sản phẩm lý thuyết (theoretical yield) luôn được tính từ chất giới hạn. Từ hệ số

6\,\text{HCl} : 3\,\text{H}_2

ta có

n_{\text{H}_2} = 0.300 \times \dfrac{3}{6} = 0.150

mol. Nếu ai đó lỡ tính từ Al thì sẽ ra 0.300 mol, một con số không bao giờ đạt được vì acid đã cạn từ trước.

4Bước 4: Tính phần nhôm thực sự bị tiêu thụ:

0.300 \times \dfrac{2}{6} = 0.100

mol Al. Phần còn lại là

0.200 - 0.100 = 0.100

mol, ứng với khối lượng

0.100 \times 26.98 = 2.70

g nhôm kim loại chưa tan.

5Bước 5: Hiệu suất phần trăm (percent yield) so lượng thực thu với lượng lý thuyết:

\dfrac{0.138}{0.150} \times 100\% = 92.0\%

. Giá trị nhỏ hơn 100% là hợp lý vì một phần khí thoát ra ngoài khi thu qua nước.

HCl là chất phản ứng giới hạn nên chỉ tạo được tối đa 0.150 mol $\text{H}_2$ ; sau phản ứng còn dư 2.70 g nhôm chưa tan, và với 0.138 mol khí thực thu, hiệu suất của thí nghiệm là 92.0%.

2Ví dụ 2/2

Trộn 25.0 mL dung dịch

\text{Pb(NO}_3)_2

0.100 M với 40.0 mL dung dịch KI 0.100 M. Kết tủa vàng

\text{PbI}_2

tách ra theo phương trình ion thu gọn (net ionic equation)

\text{Pb}^{2+}(aq) + 2\,\text{I}^-(aq) \rightarrow \text{PbI}_2(s)

. Giả thiết thể tích dung dịch cộng gộp và kết tủa tan không đáng kể. Cho

M(\text{PbI}_2) = 461.0

g/mol.

aIon nào đóng vai trò chất phản ứng giới hạn? Giải thích bằng tính toán.
bTính khối lượng kết tủa $\text{PbI}_2$ thu được.
cTính nồng độ mol của ion kim loại còn dư trong dung dịch sau phản ứng.

1Bước 1: Tính số mol từng ion phản ứng:

n_{\text{Pb}^{2+}} = (0.0250)(0.100) = 2.50\times10^{-3}

mol và

n_{\text{I}^-} = (0.0400)(0.100) = 4.00\times10^{-3}

mol. Lưu ý mỗi mol

\text{Pb(NO}_3)_2

chỉ cho một mol

\text{Pb}^{2+}

, còn ion

\text{NO}_3^-

và

\text{K}^+

là ion không tham gia nên bỏ qua.

2Bước 2: Đối chiếu với tỉ lệ 1 : 2 của phương trình. Muốn dùng hết

2.50\times10^{-3}

mol

\text{Pb}^{2+}

thì cần

5.00\times10^{-3}

mol

\text{I}^-

, nhiều hơn lượng

4.00\times10^{-3}

mol đang có. Vì vậy

\text{I}^-

là chất phản ứng giới hạn và

\text{Pb}^{2+}

còn dư.

3Bước 3: Tính kết tủa từ ion giới hạn:

n_{\text{PbI}_2} = 4.00\times10^{-3} \times \dfrac{1}{2} = 2.00\times10^{-3}

mol, do đó

m = (2.00\times10^{-3})(461.0) = 0.922

4Bước 4: Lượng

\text{Pb}^{2+}

đã kết tủa đúng bằng

2.00\times10^{-3}

mol, nên phần còn lại là

2.50\times10^{-3} - 2.00\times10^{-3} = 5.0\times10^{-4}

mol. Thể tích chung sau khi trộn là

25.0 + 40.0 = 65.0

mL, vậy

[\text{Pb}^{2+}] = \dfrac{5.0\times10^{-4}}{0.0650} = 7.7\times10^{-3}

Ion iodide là chất phản ứng giới hạn, nên phản ứng chỉ tạo được 0.922 g $\text{PbI}_2$ ; phần chì chưa kết tủa còn lại trong dung dịch 65.0 mL ứng với nồng độ $[\text{Pb}^{2+}] = 7.7\times10^{-3}$ M.

lượng sản phẩm lý thuyết (sắp có)

Liên quanchất phản ứngchất phản ứng dư (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.