한계 시약과 반응 수득률

화학자가 반응을 수행할 때, 반응물들이 항상 정확한 화학량론적 양(stoichiometric amouint), 즉 균형 반응식에 나타난 비율대로 존재하지 않는다.

반응의 목적은 출발 물질로부터 유용한 물질을 최대한 얻는 것이기 때문에, 일반적으로 고가의 반응물이 원하는 생성물로 완 전히 바뀌도록 한 반응물을 과량으로 가한다.

결과적으로 어떤 반응물은 반응이 완결되어도 남아있게 된다.

 

반응에서 먼저 소모되는 반응물을 한계 시약(limiting reagent)이라 부르며, 이는 이 물질의 양이 처음에 얼마나 있었는지가 생성물의 양을 결정짓기 때문이다.

이 반응 물이 완전히 소모되면 생성물은 더 이상 만들어지지 않는다.

초과 시약(excess reagent)이란 한계 시약과 반응할 때 필요한 양보다 훨씬 더 많은 양이 존재하는 반응물을 뜻한다.

한계 시약의 개념은 클럽에서 남자와 여자가 댄스 경연 대회를 할 때의 관계와 비슷하다.

남자가 14명 있고 여자가 9명 있다면 남녀 아홉 쌍만이 대회에 참여할 수 있다.

남자 다섯 명 은 파트너 없이 남아 있을 것이다.

따라서 여자의 숫자가 경연 대회에 참여할 수 있는 남자의 숫자를 제한하게 되고, 남자 중 일부는 그냥 남아 있어야 하는 것이다.

 

고온에서 일산화 탄소와 수소로부터 메탄올(CH,OH)의 공업적인 합성을 생각해 보자.

처음에 CO 4 mol과 H2 6 mol이 있는 경우를 가정하자(그림 3.9).

그림3.9) 반응이 시작될 때 NO 분자 8개와 O2분자 7개가 있었다. 반응이 완결되면 NO분자는 사라지고 O2 분자 세 개가 남는다. 그러므로 NO는 한계 시약이고 O2는 초과 시약이다. 이 반응에서 분자수를 몰수로 보아도 같은 결과를 얻는다.

두 반응물 중 어떤 것이 한계 시약인지를 가려내는 방법은 초기 CO와 H2의 양을 기준으로 생성되는 CH3OH의 양을 계산하는 것이다.

앞에서의 정의에 따라 더 적은 양의 생성물을 만드는 것이 한계 시약이다.

CO 4 mol을 초기 값으로 생성되는 CH3OH의 몰수를 계산하면 다음과 같다.