Il reagente limitante: come individuarlo velocemente in una reazione

Bentornato/a ad una nuova dispensa della materia che più ami in assoluto: la chimica!

Come molto spesso succede, i problemi di chimica incutono grande timore perché presentano diverse insidie che bisogna saper riconoscere per svolgerli al meglio. Ed ecco che finalmente arriva la dispensa su una di queste: il reagente limitante.

Vediamo che cosa si intende per “reagente limitante”.

Si definisce reagente limitante di una reazione quel reagente che, nel corso della reazione chimica, reagisce completamente andando ad esaurirsi e determinando la fine della reazione stessa.

In parole povere, esso è quel reagente che si consuma per primo nella reazione, e dato che finisce, impedisce alla reazione di procedere anche se vi sono ancora altri reagenti pronti a farlo.

Il nostro buon vecchio Proust ideò la legge delle proporzioni definite: essa afferma che quando gli elementi si combinano tra di loro per formare dei composti, lo fanno secondo proporzioni (in peso) ben definite.

Quindi per formare un composto AB, occorre sempre tener conto del giusto rapporto combinatorio delle masse del reagente A e del reagente B.

Nei casi in cui si utilizzino perfettamente le “dosi” di reagente per formare un prodotto, le reazioni sono in condizioni stechiometriche. Invece, nelle condizioni di non stechiometria, un reagente è in eccesso rispetto all’altro e quindi, nella reazione, uno si consuma mentre l’altro rimane come reagente residuo. Il reagente che si consuma del tutto è proprio il reagente limitante.

Il fatto che un reagente si possa consumare prima di un altro è dovuto al fatto che raramente le reazioni avvengono in condizione stechiometriche, come siamo abituati a vederle scritte (ossia in maniera bilanciata), dove i rapporti stechiometrici tra i reagenti fanno sì che entrambi si esauriscano in egual misura; molto più frequentemente, e soprattutto nell’organismo umano, i reagenti si combinano in rapporti completamente differenti da quelli stechiometrici.

Una curiosità?

Un esempio di come un reagente limitante può agire nel corpo umano è dato dalla vitamina C: questa vitamina è coinvolta nel processo di formazione del collagene, quindi nel mantenimento e rigenerazione dei tessuti connettivi, come per esempio quelli delle gengive.

Nel momento in cui, per qualsiasi ragione, viene a mancare la quantità corretta di vitamina C nell’organismo, non possono più avvenire le reazioni di formazione del collagene e non si riesce a mantenere l’integrità dei tessuti connettivi: si rende manifesta una patologia che prende il nome di scorbuto.

Questa patologia era tipica dei marinai e pirati, che, passando molto tempo in alto mare, non avevano a disposizione frutta fresca ricca di vitamina C quali gli agrumi, e per questo motivo perdevano spesso i denti per le lacerazioni del tessuto gengivale. Da ciò deriva il fatto che spesso si rappresentano gli uomini di mare sdentati.

Nei quiz ministeriali non è raro che, durante un esercizio di chimica, si arrivi ad un punto morto in cui i calcoli stechiometrici “non tornano”: potrebbe essere proprio colpa del reagente limitante! Andiamo quindi a vedere come riconoscere il reagente limitante e come svolgere questo tipo di esercizi.

Si prenda come semplice esempio questo quesito:

“Quante moli di acqua si formano se si fanno reagire rispettivamente 8 moli di idrogeno con 6 moli di ossigeno?”

Il quesito ci chiede di calcolare quante moli di prodotto si ottengono facendo reagire questi reagenti nelle quantità date.

Come prima cosa, scriviamo la reazione del quesito in forma chimica:

H2 + O2 -> H2O

La reazione non è bilanciata, poiché nei reagenti abbiamo due atomi di ossigeno, mentre ai prodotti ne abbiamo uno solo.

Andiamo a bilanciare la seguente reazione e ci risulterà questa forma:

2 H2 + O2 -> 2 H2O

In caso avessi dubbi su questo tipo di argomento leggi questa nostra dispensa, ti servirà.

Ora che la nostra reazione è bilanciata, possiamo facilmente trovare il rapporto di combinazione tra i reagenti: nel nostro caso, il rapporto di combinazione è di 2 : 1 a favore dell’idrogeno.

Tenendo bene a mente quanto abbiamo appena trovato, scriviamo la reazione indicata nel quesito:

8 H2 + 6 02 -> X H20

Dove X indicano le moli di acqua che dobbiamo trovare, come richiesto dal quesito.

Se facciamo il rapporto tra i reagenti di questa reazione, risulta evidente come non siano rispettati i rapporti di combinazione.

Infatti, abbiamo 8 moli di idrogeno che reagiscono con 6 moli di ossigeno. Quello corretto è di 2:1. Se proviamo a combinare questi due reagenti nel rapporto indicato dal quesito, non riusciremmo poi a bilanciare la reazione, e questo indica che la reazione non può avvenire in questo modo.

Combiniamo allora i nostri reagenti secondo i rapporti dell’equazione bilanciata, fino a quando questa operazione risulta possibile.

2 H2 + O2 -> 2 H20

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 2 e 6
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 1 e 5
  • moli di H2O prodotte: 2

2 H2 + O2 -> 2 H2O

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 4 e 4
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 2 e 4
  • moli di H2O prodotte: 2, totale 4

2 H2 + O2 -> 2 H2O

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 6 e 2
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 3 e 3
  • moli di H2O prodotte: 2, totale 6

2 H2 + O2 -> 2 H2O

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 8 e 0
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 4 e 2
  • moli di H2O prodotte: 2, totale 8

Arrivati a questo punto non possiamo più far avvenire la reazione, anche se abbiamo 4 moli di ossigeno rimanenti, poiché abbiamo finito le moli di idrogeno. Il reagente limitante di questa reazione sarà dunque l’idrogeno: nel momento in cui si esaurisce, impedisce alla reazione di andare avanti.

Le moli di acqua prodotte da questa reazione sono 8, che corrisponde al numero di moli che abbiamo prodotto fino all’esaurirsi del reagente limitante.

Un metodo rapido per trovare il reagente limitante in una reazione è riscrivere l’equazione bilanciata in modo che il rapporto tra i reagenti sia un numero maggiore o uguale a 1; rispettando lo stesso criterio, si fa il rapporto tra i reagenti forniti dal quesito: se si ottiene un numero più grande del valore di riferimento, il reagente limitante è quello che corrisponde al denominatore, se invece si ottiene un numero più piccolo il reagente limitante corrisponde al numeratore.

Nel nostro caso:

Equazione bilanciata = 2 H2 + O2 -> 2 H2O

Faccio il rapporto tra H2 e O2, non il contrario sennò avrei un numero minore di 1 -> 2:1 (=2)    NON 1:2  (=0,5)

Rapporti di combinazione del quesito = 8 H2 + 6 O2 -> X H2O

Faccio il rapporto come sopra -> 8:6 = 1,333; ottengo un rapporto più piccolo, dunque il reagente limitante è il mio numeratore, ossia H2.

Se il quesito ci avesse chiesto di far reagire 8 moli di H2 con 3 moli di O2, avremmo ottenuto il seguente rapporto:

8:3 = 2,666; ottengo un numero più grande di quello di riferimento: dunque il mio reagente limitante sarebbe l’ossigeno.

Se infatti rifaccio l’operazione di scrivere ogni volta la reazione, arrivo alla terza reazione ma poi mi devo fermare perché ho finito l’ossigeno anche se ho ancora 2 moli di H2.

2 H2 + O2 -> 2 H20

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 2 e 6
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 1 e 2
  • moli di H2O prodotte: 2

2 H2 + O2 -> 2 H2O

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 4 e 4
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 2 e 1
  • moli di H2O prodotte: 2, totale 4

2 H2 + O2 -> 2 H2O

  • moli di H2 consumate e rimanenti: 6 e 2
  • moli di O2 consumate e rimanenti: 3 e 0
  • moli di H2O prodotte: 2, totale 6.

Questo è il metodo più veloce per individuare il reagente limitante, posso assicurartelo.

Ci siamo con questo concetto?

A presto,

Matteo Guarnieri e tutta la Pro-Med Family.

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