制限反応

バランスのとれた化学式で表される反応物と生成物の相対的な量は、しばしば化学量論的量と呼ばれます。 しかし実際には、平衡方程式で示される化学量論的量に反応物質が常に存在するわけではありません。

化学反応において、最初に消費され、生成物の量を制限する反応物質を制限反応物質といい、もう一方の物質を過剰反応物質といいます。 1 つ以上の反応物質を過剰に使用することで、他の反応物質を完全に生成物質に変換することがよくあります。

方程式で表される水の生成反応を考えてみます。

バランスのとれた方程式は、 2 ： 1 の化学量論比で水素と酸素の反応を示します。 これらの反応物質が他の量で供給される場合、反応物質の 1 つはほぼ常に完全に消費されるため、生成される生成物質の量が制限されます。 この物質は制限反応物質であり、もう一つは過剰反応物質です。 特定の状況における制限反応物質および過剰反応物質を特定するには、提供された各反応物質のモル量を計算し、バランスのとれた化学方程式に示されている化学量論量と比較する必要があります。  

化学量論は、水素の 2 モルと酸素の 1 モルが反応して 2 モルの水を作り出すことを示しています。つまり、水素と酸素が 2 ： 1 の比率で結合していることを示しています。 5 モルの水素と 2 モルの酸素が存在するとします。 反応物質の比率は現在 5:2 （または 2.5:1 ）で、化学量論比 2:1 よりも大きくなっています。 したがって、水素は過剰に存在し、酸素が制限反応物質です。 提供されたすべての酸素（ 2 mol ）の反応では、 5 mol の水素が 4 mol 消費され、 1 mol の水素は反応しなくなります。 与えられた各反応物質のモル量を計算し、バランスのとれた化学方程式に示されている化学量論量と比較することは、制限物質と過剰反応物質を特定する 1 つの方法です。

別の方法としては、反応の化学量論に従って各反応物質からモルで形成された製品の量を計算し、量を比較する方法があります。 生成物のモル数が少ない反応物を制限反応物といいます。 例えば、 5 モルの水素の完全な反応は次のようになります。

同様に、 2 モルの酸素による完全な反応は以下のようになります。

酸素は生成する水分のモルが少ないため、酸素は制限反応物質となります。 4 モルの H₂O が生成されると、酸素は完全に消費されます。 水素と酸素の間の化学量論は 2 ： 1 であり、 2 モルの酸素と反応するには 4 モルの水素が必要です。  

このため、（ 5 mol H₂ − 4 mol H₂ = 1 mol H₂ ）この反応が完了すると、未反応水素の 1 モルが残ります。  

このテキストは 、 OpenStax 、 Chemistry 2e 、 Section 4.4 ： Reaction Yield から引用しています。