限制性试剂

在配平的化学方程式中，通常一种反应物比另一种反应物的量要大。因此，此类反应中产物的形成量取决于完全反应或在化学反应中完全消耗的反应物。这种反应物称为限制性反应物。而，过量的反应物不会完全反应或剩余未反应。

在这类化学计量学问题中，会给出两种反应物的质量或体积等量，并基于此计算产物的生成量。

在这里，我们需要从给定的两种反应物中选择一种反应物的量（摩尔、质量或体积）。因此，在这些问题中，解决方案始于选择正确的反应物，并利用问题中给出的其详细信息来找出产物的详细信息。

选择合适反应物的原因是，给定反应物的量不会以它们应该产生的比例来产生适量的产物。让我们通过以下例子来理解这一点；

A + B → C + D

A 和 B 正在反应生成 C 和 D

在此反应中，我们需要找出在此反应中生成的 C 或 D 或两者的量。我们给出了 A 和 B 的质量，分别为 p1 和 p2。

现在，A 和 B 的随机量或质量不能反应生成特定量的 C 和 D。这意味着当特定量的 A 与特定量的 B 反应时，才会形成特定或所需的 C 和 D 量。我们可以说，当 A 的 p1 质量与 B 的 p2 质量具有某种特定的比例或比率时，才会形成特定量的 C 和 D。

例如，A 的 p1 质量只需要 p2 质量的 5% 的 B 来生成 C 和 D。额外的 p2 质量不会有任何帮助。因此，当反应完成时，剩余的 p2 质量（未使用的或未反应的）不会参与化学反应或 C 和 D 的形成。然而，A 的全部质量将在该反应中消耗。因此，在该反应中，是 A 完全负责生成 C 和 D，并使其自身完全消耗以生成 C 和 D。因此，该反应将一直持续到 A 的质量完全消耗为止。一旦 A 耗尽，反应就会停止，并且即使 B 没有完全耗尽，也不会进一步生成 C 和 D。

因此，在反应中完全消耗并决定反应将持续多久以及将生成多少产物的反应物称为限制性试剂。因此，在上述示例中，A 是限制性试剂。未反应剩余的试剂称为过量试剂。因此，在上述反应中，B 是过量试剂。试剂一词用于反应生成产物的反应物。

让我们通过氢气和氧气反应生成水的简单化学反应来理解限制性试剂，例如；

2H₂ + O₂ → 2H₂O

从上述配平的化学反应中可以清楚地看出；

2 摩尔（4 克）氢气 +（与）1 摩尔（32 克）氧气反应 →（生成）2 摩尔或 36 克水

现在，如果有人取 16 克氧气并使其与 4 克氢气反应生成 20 克水（2H₂O），因为 16 克 + 4 克 = 20 克，会发生什么？

它不会产生 20 克氧气。因为 4 克氢气需要 32 克氧气才能生成 36 克水，或者 4 克氢气和 32 克氧气完全反应（两者都不剩余）才能生成 36 克水。当氢气和氧气的质量比为 4:32 或 1:8 时，它们会完全反应。现在，我们只有 16 克氧气。这并不意味着反应不会发生。反应肯定会发生，但与给定量的氧气反应的氢气量将不同。我们可以说，4 克氢气对于 16 克氧气来说是过量的，或者 16 克氧气对于 4 克氢气来说是不够的或少于所需的。

对于 16 克氧气，所需的氢气量应小于 4 克，或者我们可以说，与氢气所需量相比，氧气量较少。因此，我们必须增加氧气量，或者我们必须使用较少量的氢气。

在该反应中，由于氧气量较少而氢气量过量，因此氧气将被完全消耗，并且反应将持续进行，直到 16 克氧气完全反应。因此，在该反应中，氧气起作用或为限制性试剂，而氢气是过量试剂，因为它的量超过了所需。

现在，对于 32 克氧气，需要 4 克氢气

因此，对于 16 克氧气，只有 2 克氢气将参与反应并相应地生成水，剩余的 2 克氢气将保持未反应。因此，2 克氢气与 16 克氧气反应将生成 18 克水（H₂O）。因此，在这里，氧气决定了生成产物的量（质量或体积）。

另外请注意，量较少的试剂不一定总是限制性试剂。如上例所示，氢气的量少于氧气，但它不是限制性试剂。

让我们通过一些关于限制性试剂概念的问题

1) 问题：在一个反应 A + B₂ →AB₂ 中

在以下不同条件下识别限制性试剂。

i) 300 个 A 原子 + 200 个 B 分子

解决方案

给定的反应是一个配平的反应，因为我们在两侧有相等数量的 A 和 B 原子。

A + B₂ →AB₂

此外，在此反应中，我们可以看到 1 摩尔 A 原子（因为 A 是元素形式）+ 1 摩尔 B 分子 → 1 摩尔 AB₂ 分子

或

N_A 个 A 原子与 N_A 个 B 分子反应（N_A = 1 摩尔粒子或 6.023 x 10²³ 粒子（阿伏伽德罗常数）

因此，对于给定的 300 个 A 原子，我们将需要 300 个 B 分子，但我们有 200 个 B 分子，所以我们拥有的 B 分子数量较少，这表明在此反应中 B 是限制性试剂，反应将一直持续到 B 被消耗为止。

ii) 2 摩尔 A + 3 摩尔 B

在这种条件下，2 摩尔 A 与 3 摩尔 B 反应。现在，我们从第一个问题中知道，1 摩尔 A 原子需要 1 摩尔 B 分子

因此，对于 2 摩尔 A，我们只需要 2 摩尔 B，但我们有 3 摩尔 B，所以很明显 B 是过量的，或者 A 少于所需。因此，A 将是我们的限制性试剂。

iii) 100 个 A 原子 + 100 个 B 分子

解决方案。

我们已经找到了关系：在此反应中，1 摩尔 A 原子与 1 摩尔 B 分子反应。

它表明，N_A 个 A 原子与 N_A 个 B 分子反应，这里 N_A 是阿伏伽德罗常数或 6.022 x 10²³

现在，100 个 A 原子将与 100 个 B 分子反应

因此，在这种情况下，我们没有限制性试剂，因为 A 和 B 都会完全反应或被消耗以生成产物 AB₂。它们的比例恰好是所需的，不多也不少。A 恰好是 B 所需的，或者 B 恰好是 A 所需的，这意味着对于 100 个 A 原子和所需的 100 个 B 分子是存在的，反之亦然。

iv) 5 摩尔 A + 2.5 摩尔 B

解决方案

我们知道在此反应中，1 摩尔 A 原子与 1 摩尔 B 分子反应。

因此，5 摩尔 A 将需要 5 摩尔 B，但我们给出了 2.5 摩尔 B，所以在这种情况下 B 少于所需，反应将一直持续到 B 被完全消耗为止。因此，B 是限制性试剂。

v) 2.5 摩尔 A + 5 摩尔 B

解决方案

现在，根据问题，2.5 摩尔 A 与 5 摩尔 B 反应

我们知道在此反应中，1 摩尔 A 原子需要 1 摩尔 B 分子。

因此，对于 2.5 摩尔 A，如果我们希望没有任何剩余未反应物，我们将需要 2.5 摩尔 B。

但是，我们有 5 摩尔 B，所以它不会被完全消耗，并且其一部分将保持未反应。而 A 将被完全消耗，所以我们可以说，与 5 摩尔 B 相比，A 少于所需，并且 A 也控制着这个反应，所以 A 是限制性试剂。

2) 问题：二氮（N₂）与二氢（H₂）反应生成氨（NH₃），如下所示；

N₂ (g) + H₂ (g) → 2NH₃ (g)

(i) 计算 2.00 x 10³ 克二氮与 1.00 x 10³ 克二氢反应时生成的氨的质量？另外，找出是否有任何反应物剩余未反应，如果有，找出其质量？

解决方案

对该化学反应的化学方程式进行配平，如下所示；

N₂ (g) + 3H₂ (g) → 2NH₃ (g)

配平的化学方程式表明；

氮和氢的摩尔比，N₂: H₂ = 1: 3

因此，1 摩尔 N₂ 与 3 摩尔 H₂ (g) 反应生成 2 摩尔 NH₃ (g)

将摩尔转换为克后，我们得到；

28 克 N₂ 与 6 克（3x2 克）H₂ 反应

让我们将上述量转换为千克，因为给定的量是 10³ 克。

28 千克 N₂ 与 6 千克 H₂ 反应，这表明 28 千克 N₂ 需要 6 千克 H₂

因此，1 千克 N₂ 将需要 (6 /28) 千克 H₂

根据问题，2 千克二氮将需要 (6/28) x 2 = 3/7 或 0.42 千克的二氢（H₂），但我们给出了 1 千克的二氢（H₂），这比所需的多。因此，N₂ 是限制性试剂，H₂ 是此反应中的过量试剂。由于 H₂ 的量过量，它不会完全反应或剩余未反应。

现在让我们计算生成的氨的质量。

产物（在此反应中为氨）的生成取决于限制性试剂的量。

这里，2 千克氮气与 0.43 千克氢气反应

限制性试剂氮气和氨气，N₂ 和 NH₃ 的摩尔比为 1: 2

这表明，1 摩尔氮气生成 2 摩尔氨气

或者 28 克氮气生成 34 克氨气

或者 28 千克氮气生成 34 千克氨气

因此，2 千克氮气将生成 (34/28) x 2 = 17/7 = 2.4 千克或 2.4 x 10³ 克氨气。

现在，我们也被问到是否有任何反应物会剩余未反应。因此，答案是肯定的，因为氢气的量比所需的要多，它不会完全反应。

剩余未反应的氢气质量 = 总质量 - 反应质量，1 千克 - 0.42 千克 = 0.58 千克或 0.58 x 10³ 克。