المادة المحددة للتفاعل

بفضل التفاعلات الكيميائية، تنشأ العديد من التحولات التي تشكل أساس العمليات الكيميائية في العالم من حولنا. وفي هذا السياق، يلعب مفهوم “المادة المحددة للتفاعل” دوراً حيوياً في فهم كيفية تحديد الكميات المناسبة للمواد الكيميائية المشاركة في التفاعلات، وبالتالي تحديد كمية المنتج النهائي الممكن تكوينه.

تسمى المادة المتفاعلة التي يتم استهلاكها بالكامل في التفاعل الكيميائي بالمادة المحددة للتفاعل.

وتحدد هذه المادة عمومًا متى سيتوقف التفاعل الكيميائي .

عندما يختلط مادتان متفاعلتان لتكوين نواتج ، فإنهما يتحدان بنسبة معينة تحددها قياس العناصر الكيميائية للتفاعل. الخطوة الأولى هي موازنة التفاعل الكيميائي. خذ بعين الاعتبار التفاعل المتوازن التالي:

A + B → Products

لنفترض أن كميات A وB معروفة بوحدة الكتلة، مثل الجرام. والخطوة التالية هي تحويل الجرام إلى المولات.

للعثور على تركيزات المواد المتفاعلة والنواتج بالمولات ، على المرء أن يعرف كمياتها والكتل المولية. لنفترض أن x جرامًا من A، كتلته المولية M جرامًا، موجود في التفاعل. ثم يتم إعطاء الكمية بالمول n بواسطةالعلاقة الرياضية التالية:

n = x/M

هناك طريقتان عامتان للعثور على المادة المحددة للتفاعل:

طريقة 1

إحدى الحيل لتحديد المادة المحددة للتفاعل هي مقارنة النسبة المولية للمواد المتفاعلة مع النسبة الفعلية للعناصر المتفاعلة. المادة المتفاعلة التي تحتوي على عدد مولات أقل من المطلوب هي المادة المحددة للتفاعل .

الطريقة 2

هناك طريقة أخرى لتحديد المادة المحدد ة للتفاعل وهي مقارنة كميات النواتج المتكونة من كل مادة متفاعلة. وتتمثل ميزة هذه الطريقة مقارنة بالطريقة السابقة في إمكانية توسيعها لتشمل العديد من المواد المتفاعلة.

 بعد موازنة التفاعل الكيميائي، استخدم قياس العناصر الكيميائية لحساب كميات النواتج لكل مادة متفاعلة منفصلة. المادة المتفاعلة التي تنتج أقل كمية من النواتج هي المادة المحددة للتفاعل.

إذن يتم حساب كمية المنتج التي تشكلها كل مادة متفاعلة.

المادة المتفاعلة المحددة هي المادة المتفاعلة التي يتكون منها الحد الأدنى من الناتج.

مثال : تفاعل تكوين الأمونيا:

3H₂ + N₂ → 2NH₃

في هذا التفاعل، مطلوب 3 مولات من غاز الهيدروجين للتفاعل مع 1 مول من غاز النيتروجين لتكوين 2 مول من الأمونيا. ولكن ماذا لو، أثناء التفاعل، يتوفر فقط 2 مول من غاز الهيدروجين مع 1 مول من النيتروجين.

في هذه الحالة، لا يمكن استخدام كامل كمية النيتروجين (لأن النيتروجين بأكمله يتطلب 3 مولات من غاز الهيدروجين للتفاعل). ومن ثم فإن غاز الهيدروجين هو الذي يحد من التفاعل ولذلك يسمى المادة المحددة لهذا التفاعل.

مسألة محلولة 1 :

2 Na + Cl₂ → 2 NaCl

تم نقل 3.5 جم من معدن الصوديوم (Na) إلى دورق سعته 4 لتر مملوء بغاز الكلور (Cl ₂ ) عند درجة حرارة STP. حدد المادة المحدد للتفاعل والكمية المتبقية من المادة المتفاعلة الزائدة إذا كانت الكتلة المولية لـ Na تساوي 23 جم،

والكتلة المولية لـ Cl ₂ تساوي 71 جم، والحجم المولي لـ Cl ₂ هو 22.4 لتر.

الحل:

الخطوة 1 : تحديد عدد المولات.

عدد مولات الصوديوم Number of mol. of Na = 3.5/23 = 0.152 mol.

عدد مولات الكلور Number of mol. of Cl₂ = 4/22.4 = 0.179 mol.

الخطوة 2 : استخدام الطريقة 1 لحساب النسب المولية.

النسبة المولية = No. of mol. of Na/No. of mol. of Cl₂

النسبة المولية المطلوبة: 2/1 = 2

النسبة المولية الفعلية: 0.152/0.179 = 0.85

النسبة المولية الفعلية أقل من المطلوب، مما يعني أن Na هو المادة المحددة للتفاعل.

الخطوة 3 : تحديد الكمية المتبقية من المادة المتفاعلة الزائدة.

المادة الزائدة هي Cl _2.

2 مول. من Na يتفاعل مع 1 mol. من الكلور.

لذلك، 0.152 مول. من Na يتفاعل مع =½×0.152 =0.076 مول من Cl2

ولذلك فإن الكمية المتبقية من الكلور = 0.179 – 0.076 = 0.103 mol

الكمية المتبقية من Cl ₂ باللتر = 0.103 × 22.4 = 2.3 لتر

مسألة محلولة 2 :

 التفاعل بين الألومنيوم الصلب (Al) والكلور الغازي (Cl ₂ ) ليعطي كلوريد الألومنيوم  (AlCl ₃ ). كما يلي:

2 Al (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 AlCl₃ (s)

لنفترض وجود 3.5 جرام من Al و5.2 جرام من Cl ₂ في التفاعل. حدد المادة المحددة للتفاعل . قم أيضًا بحساب الكمية المتبقية من المادة الزائدة وكمية الناتج . الكتلة المولية لـ Al هي 27 جم، والكتلة المولية  لـ Cl ₂ هي 71 جم.

الحل : 

الخطوة 1 : حساب عدد مولات Al و Cl ₂ .

عدد مولات Al = 3.5 جم/27 جم = 0.13 مول.

عدد مولات Cl2 ₌ 5.2 جم/71 جم = 0.073 مول.

استخدام الطريقة 1

الخطوة 2 : حساب ومقارنة النسب المولية المطلوبة والفعلية.

النسبة المولية = عدد المول. منAl/ عدد مول. من الكلور Cl2

النسبة المولية المطلوبة = 2/3 = 0.66

النسبة المولية الفعلية = 0.13/0.073 = 1.775

النسبة المولية الفعلية لـ Al إلى Cl ₂ أعلى من المطلوب، مما يعني أن Al زائدة. إذا كان Al زائدًا، فيجب أن يكون Cl ₂ بكمية محدودة. ولذلك، Cl ₂ هو المادة المحددة للتفاعل.

باستخدام الطريقة 2

الخطوة 2 : احسب كمية AlCl ₃ الناتجة من الكميات المعطاة من Al وCl ₂ .

2 مول. من Al تنتج 2 مول. AlCl3 _{_}

لذلك، 0.13 مول. سوف ينتج = 2/2 × 0.13 = 0.13 مول. AlCl3 _{_}

3 مول. من Cl ₂ ينتج 2 مول. AlCl3 _{_}

لذلك، 0.073 مول. سوف ينتج = 2/3 × 0.073 = 0.049 مول. AlCl3 _{_}

وبما أن Cl ₂ ينتج أقل كمية من AlCl ₃ ، فهو المادة المحددة للتفاعل.

الكتلة المولية لـ AlCl ₃ هي 27 + 3/2 × 71 = 133.5 جم

ولذلك فإن كمية AlCl ₃ الناتجة في التفاعل = 0.049 × 133.5 = 6.54 جم.

الخطوة 3 : حساب الكمية المتبقية من المادة الزائدة.

Al هو المادة الزائدة.

3 مول Cl ₂  يتفاعل مع 2 mol من Al 

لذلك، 0.073 مول Cl ₂ يتفاعل مع 2/3 × 0.073 = 0.049 مول من Al

كمية Al المتفاعلة = 0.13 مول.

وبالتالي فإن الكمية المتبقية من Al =

0.13 – 0.049 = 0.081 mol.  

الكمية المتبقية من Al بالجرام = 0.081 × 27 = 2.2 جم

أهمية حساب المادة المحددة للتفاعل:

في التفاعل الكيميائي، تكون المادة المحددة للتفاعل مهمة لأنها يمكن أن تساعد الكيميائي على التنبؤ بالكمية القصوى من المادة المتفاعلة التي يتم استهلاكها، نظرًا لأنها تقيد التفاعل،

من خلال معرفة المادة المحددة، يمكن تحسين استخدام الموارد وتقليل الهدر. يتيح ذلك للصناعات تحقيق أفضل اقتصاد في استهلاك المواد الاولية.

المراجع:

1- موقع https://byjus.com/chemistry/limiting-reagent/ أطلعت علية بتاريخ 6/12/2023.

2- موقع https://www.chemistrylearner.com/limiting-reagent.html أطلعت علية بتاريخ 6/12/2023.