04 الدرس الرابع: العامل المحدد للتفاعل
4-1 المفهوم
- في المعمل أو المصنع نادرًا ما تُخلط المتفاعلات بالنسبة المضبوطة التي تقتضيها المعادلة.
- فيُستهلك أحد المتفاعلات كله أولًا ويتوقف التفاعل، رغم بقاء جزء من المتفاعل الآخر.
- العامل المحدد للتفاعل هو المادة التي تُستهلك تمامًا في التفاعل، وهو الذي يحدد كمية النواتج المتكوِّنة.
- أما المتفاعل الآخر فهو المتفاعل الفائض، ويتبقى منه جزء بدون تفاعل.
- مثال: في التفاعل H₂ + F₂ → 2HF (النسبة 1 : 1 : 2) إذا أضفنا 6 mol من الهيدروجين إلى 4 mol من الفلور تُستهلك كمية الفلور (4 mol) كاملةً في الاتحاد مع 4 mol من الهيدروجين لتكوين 8 mol من HF، ويتبقى 2 mol من الهيدروجين بدون تفاعل.
- فالفلور هو العامل المحدد للتفاعل.
4-2 كيف نعيّنه؟
نحسب لكل متفاعل النسبة:
النسبة = عدد المولات الموجودة (المعطاة) ÷ عدد مولاته في المعادلة الموزونة (المعامل)
- والمتفاعل الذي نسبته أقل هو العامل المحدد للتفاعل.
- ثم نبني جميع حسابات النواتج على العامل المحدد، وليس على الفائض أبدًا.
- ولحساب كتلة الفائض المتبقية نحسب أولًا ما استُهلك منه (من العامل المحدد) ثم نطرحه من الكمية المعطاة.
تحذير: ليس بالضرورة أن يكون الأكبر عددًا في المولات هو الفائض؛ قارن دائمًا بالنسب.
4-3 أمثلة محلولة
✍️ أمثلة محلولة
- مثال محلول (4-1): بالمولات. N₂ + 3H₂ → 2NH₃.
- تفاعل خليط من 2 mol من N₂ و4 mol من H₂.
- أوجد العامل المحدد وعدد مولات NH₃ الناتجة وعدد مولات الفائض المتبقية.
- نسبة \[\begin{gathered}N_{2} = 2 \div 1 = 2\end{gathered}\] . نسبة \[\begin{gathered}H_{2} = 4 \div 3 = 1.33\end{gathered}\] .
- نسبة H₂ هي الأقل، إذن H₂ هو العامل المحدد.
- \[\begin{gathered}n(\,\text{NH}_{3}) = \dfrac{4 \times 2}{3} = 2.67 \,\text{mol}\end{gathered}\].
- المستهلك من \[\begin{gathered}N_{2} = \dfrac{4 \times 1}{3} = 1.33 \,\text{mol}\end{gathered}\] ؛ المتبقي من \[\begin{gathered}N_{2} = 2 - 1.33 = 0.67 \,\text{mol}\end{gathered}\].
- مثال محلول (4-2): بالكتل. 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃.
- تفاعل خليط من 5.4 g من Al و10.65 g من Cl₂.
- أوجد العامل المحدد وكتلة AlCl₃ الناتجة وكتلة الفائض المتبقية.
- [Al = 27 ، Cl = 35.5]
- \[\begin{gathered}n(\,\text{Al}) = 5.4 \div 27 = 0.2 \,\text{mol}\end{gathered}\] ؛ \[\begin{gathered}n(\,\text{Cl}_{2}) = 10.65 \div 71 = 0.15 \,\text{mol}\end{gathered}\].
- نسبة \[\begin{gathered}\,\text{Al} = 0.2 \div 2 = 0.1\end{gathered}\] . نسبة \[\begin{gathered}\,\text{Cl}_{2} = 0.15 \div 3 = 0.05\end{gathered}\] .
- Cl₂ هو العامل المحدد (النسبة الأصغر).
- \[\begin{gathered}n(\,\text{AlCl}_{3}) = \dfrac{0.15 \times 2}{3} = 0.1 \,\text{mol}\end{gathered}\] ؛ الكتلة المولية لـ \[\begin{gathered}\,\text{AlCl}_{3} = 133.5\end{gathered}\] ؛ الكتلة = 13.35 g.
- المستهلك من \[\begin{gathered}\,\text{Al} = \dfrac{0.15 \times 2}{3} = 0.1 \,\text{mol} = 2.7 g\end{gathered}\] ؛ المتبقي من \[\begin{gathered}\,\text{Al} = 5.4 - 2.7 = 2.7 g\end{gathered}\].
- تحقق: الكتلة قبل التفاعل \[\begin{gathered}5.4 + 10.65 = 16.05 g\end{gathered}\] ؛ وبعده \[\begin{gathered}13.35 + 2.7 = 16.05 g\end{gathered}\] ✓.
- مثال محلول (4-3): حجوم الغازات. CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
- أُحرق 6 L من الميثان في 8 L من الأكسجين (كلاهما عند STP).
- الحجوم متناسبة مع المولات: نسبة \[\begin{gathered}\,\text{CH}_{4} = 6 \div 1 = 6\end{gathered}\] ؛
- نسبة \[\begin{gathered}O_{2} = 8 \div 2 = 4\end{gathered}\].
- إذن O₂ هو العامل المحدد.
- حجم CO₂ الناتج = \[\begin{gathered}\dfrac{8 \times 1}{2} = 4 L\end{gathered}\] ؛
- المستهلك من CH₄ = 4 L ؛
- المتبقي من CH₄ = 2 L.
- مثال محلول (4-4): نمط مسألة الهيدروجين والأكسجين. 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
- خُلط 12 L من الهيدروجين مع 9.6 L من الأكسجين عند \[\begin{gathered}\,\text{rtp}.
- n(H_{2}) = 12 \div 24 = 0.5 \,\text{mol}\end{gathered}\] ؛
- \[\begin{gathered}n(O_{2}) = 9.6 \div 24 = 0.4 \,\text{mol}\end{gathered}\].
- النسب: \[\begin{gathered}H_{2} = 0.5 \div 2 = 0.25\end{gathered}\] ؛
- \[\begin{gathered}O_{2} = 0.4 \div 1 = 0.4\end{gathered}\].
- إذن H₂ هو العامل المحدد.
- المستهلك من \[\begin{gathered}O_{2} = 0.25 \,\text{mol} (= 8 g)\end{gathered}\] ؛
- المعطى من \[\begin{gathered}O_{2} = 0.4 \times 32 = 12.8 g\end{gathered}\] ؛
- الفائض من \[\begin{gathered}O_{2} = 12.8 - 8 = 4.8 g\end{gathered}\].
- كتلة الماء الناتجة: \[\begin{gathered}0.5 \,\text{mol} = 9 g\end{gathered}\].
- مثال محلول (4-5): الخليط الغازي بعد التفاعل. C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O.
- عند تفاعل 3 mol من C₂H₄ مع 6 mol من O₂: النسب 3 ÷ 1 = 3 و6 ÷ 3 = 2 ، إذن O₂ هو العامل المحدد.
- \[\begin{gathered}\,\text{CO}_{2} = \dfrac{6 \times 2}{3} = 4 \,\text{mol}\end{gathered}\] ؛
- H₂O = 4 mol ؛
- المستهلك من \[\begin{gathered}C_{2}H_{4} = 2 \,\text{mol}\end{gathered}\] ويتبقى 1 mol.
ما أهمية ذلك؟ في الصناعة يُستخدم المتفاعل الأرخص بزيادة (فائضًا) كي يتحول المتفاعل الغالي بالكامل إلى نواتج.