المادة المحددة للتفاعل

يتوقف التفاعل الكيميائي عندما تنفد إحدى المواد المتفاعلة تماما، وتسمى هذه المادة المادة المحددة للتفاعل، بينما تسمى المواد الباقية بدون استهلاك المواد الفائضة. تعتمد كمية الناتج المتكون دائما على كمية المادة المحددة للتفاعل لأنها تنتهي أولا وتوقف التفاعل. تخيل أن لديك 4 كماشة ومطرقة واحدة، فإنك تستطيع تكوين مجموعة واحدة فقط من الأدوات، وتتبقى الكماشات فائضة بلا مطارق إضافية؛ المطرقة هنا هي المادة المحددة، والكماشات هي المادة الفائضة. لتححديد المادة المحددة في المخبر، نحسب عدد مولات كل مادة متفاعلة بتحويل كتلها بالجرام إلى مولات باستخدام الكتلة المولية، ثم نقارن النسبة الفعلية للمولات بالنسبة المولية المأخوذة من المعادلة الكيميائية الموزونة.

الفكرة الأساسية

يتوقف التفاعل الكيميائي عندما تُستنفد أي من المواد المتفاعلة تماماً. انظر إلى واقعة تكوين مجموعات أدوات من 1 مطرقة و4 كماشات ومفركين: إذا توفرت أدوات كثيرة وبقيت مطرقة واحدة، فلن تتمكن من تكوين سوى مجموعة واحدة وتتبقى الكماشات والمفكات فائضة. هكذا التفاعل تماماً؛ المادة التي تنتهي أولاً هي المادة المحددة للتفاعل، والمادة التي تبقى بعد توقف التفاعل هي المادة الفائضة.

الشرح

عندما تجري تفاعلاً كيميائياً، نادراً ما توجد المواد المتفاعلة بالنسب الدقيقة الموجودة في المعادلة الموزونة. وغالباً ما تتواجد إحدى المواد بكمية أكبر من حاجتها، فتستمر حتى تنفد المادة الأخرى تماماً ويتوقف التفاعل. لتحديد المادة المحددة للتفاعل، نتبع خطوات محددة:

1. نحول كتل المواد المتفاعلة المعطاة بالمجرام إلى مولات بالضرب في مقلوب الكتلة المولية: $\text{mol} = \text{mass} \times \frac{1}{\text{molar mass}}$.
2. نحسب النسبة المولية الفعلية للمواد المتفاعلة بقسمة مولات المادة الأولى على مولات المادة الثانية.
3. نقارن النسبة الفعلية بالنسب المولية المأخوذة من معاملات المعادلة الكيميائية الموزونة لنتعرف على المادة التي ستنفد أولاً.
4. نستخدم عدد مولات المادة المحددة للتفاعل حصراً لحساب كمية المادة الناتجة أو كمية المادة الفائضة المتفاعلة.

مثال محلول خطوة بخطوة

خذ مثال تفاعل الفسفور الصلب الأبيض $P_4$ مع الأكسجين $O_2$ لتكوين مركب صلب $P_4O_{10}$ وفق المعادلة الموزونة: $P_{4(s)} + 5O_{2(g)} \rightarrow P_4O_{10(s)}$ احسب كتلة $P_4O_{10}$ الناتجة عن تفاعل $25.0\text{ g}$ من الفسفور مع $50.0\text{ g}$ من الأكسجين.

• الخطوة الأولى: حساب مولات كل مادة متفاعلة باستخدام الكتلة المولية ($P_4 = 123.9\text{ g/mol}$ و $O_2 = 32.00\text{ g/mol}$):
• مولات $P_4 = 25.0\text{ g} \times \frac{1\text{ mol } P_4}{123.9\text{ g}} = 0.202\text{ mol } P_4$
• مولات $O_2 = 50.0\text{ g} \times \frac{1\text{ mol } O_2}{32.00\text{ g}} = 1.56\text{ mol } O_2$
• الخطوة الثانية: حساب النسبة المولية الفعلية بقسمة مولات $O_2$ على مولات $P_4$: $\frac{1.56\text{ mol } O_2}{0.202\text{ mol } P_4} = 7.72$
• الخطوة الثالثة: مقارنة النسبة الفعلية بنسبة المعادلة الموزونة والتي تساوي $\frac{5\text{ mol } O_2}{1\text{ mol } P_4} = 5$. بما أنه يتوافر $7.72\text{ mol}$ من الأكسجين بينما يحتاج التفاعل إلى $5\text{ mol}$ فقط لكل $1\text{ mol}$ من $P_4$، فإن الأكسجين هو المادة الفائضة، ويكون $P_4$ هو المادة المحددة للتفاعل.
• الخطوة الرابعة: حساب كتلة الناتج باستخدام مولات المادة المحددة ($P_4$):
• مولات الناتج $P_4O_{10} = 0.202\text{ mol } P_4 \times \frac{1\text{ mol } P_4O_{10}}{1\text{ mol } P_4} = 0.202\text{ mol } P_4O_{10}$
• كتلة الناتج = $0.202\text{ mol} \times 283.9\text{ g/mol} = 57.3\text{ g } P_4O_{10}$

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن المادة ذات الكتلة الأكبر بالجرام هي دائما المادة المحددة للتفاعل؛ الصواب هو الاعتماد على عدد المولات والنسبة المولية لا الكتلة بالجرام.
• استخدام مولات المادة الفائضة في حساب كمية المادة الناتجة بدلاً من استخدام مولات المادة المحددة للتفاعل.
• نسيان وزن المعادلة الكيميائية قبل حساب النسب المولية.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: في تفاعل الصوديوم مع أكسيد الحديد وفق المعادلة: 6Na_{(s)} + Fe_2O_3_{(s)} \rightarrow 3Na_2O_{(s)} + 2Fe_{(s)} إذا تفاعل $100\text{ g}$ من $Na$ مع $100.0\text{ g}$ من $Fe_2O_3$، فما هي المادة المحددة للتفاعل؟ الإجابة: المادة المحددة للتفاعل هي $Fe_2O_3$.

السؤال الثاني: ما المادة التي تحدد التفاعل عند خلط $3\text{ mol}$ من $N_2$ مع $3\text{ mol}$ من $H_2$ لتكوين غاز الأمونيا؟ الإجابة: المادة المحددة هي الهيدروجين $H_2$ لأنها تنفد أولاً بناء على النسبة المولية في المعادلة الموزونة.