限量反應物的計算

化學原理啟迪33

1.      當化合物混在一起進行反應，它們通常會用清楚的比例數量（計量stoichiometric quantities）來混合，也就是化合物以精確的分量來混合，好讓所有反應物同時消耗完畢。

2.      為了釐清這個概念，讓我們來思考製造「氨」的哈柏法Haber process。氨，是非常重要的肥料，製造「氨」的方式是從空氣中取得「氮氣」，並且讓「氮」和「氫」化合：

N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)

3.      這個化學反應中需要的「氫氣」，用「甲烷」與「水」反應來製造：

CH4(g)+H2O(g) →3H2(g)+CO(g)

4.      現在我們來思考以下問題：2.50 × 10³ 公斤的「甲烷」需要多少質量的「水」參與反應？多少水會剛好消耗掉2.50 × 10³ 公斤的「甲烷」，不會殘留多餘的「甲烷」或「水」？

5.      用前一節計算規則(莫耳與質量轉換)，我們能夠計算出，2.50 × 10³ 公斤的「甲烷」和2.81 × 10³ 公斤的「水」混合，二個反應物都會同時消耗掉。這些反應物的混合是依據計算過的數量（stoichiometric quantities）。

6.      然而，如果2.50 × 10³ 公斤的「甲烷」，是和3.00 × 10³ 公斤的「水」混合，「甲烷」就會在「水」用盡之前先消耗掉，因為「水」的分量太多、過量excess。

7.      在這個例子，產物的數量將取決於「甲烷」的數量；所以「甲烷」稱為「限量反應物limiting reactant」或 「限制試劑limiting reagent」。

8.      任何有關「計量stoichiometry」的問題，最基本的就是要判斷哪一個反應物是有限的，計算清楚將會形成的產物數量。

9.      為了更進一步探討限量反應物的概念，我們再仔細觀察「氨」的合成反應：

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

10.  假設一個細頸瓶中有5個「氮N2」分子和9個「氫H2」分子。請問，這是經過依據反應需要調配每個成分應有份量（計量stoichiometric）的混合物？還是隨意混合，其中某些反應物會比其他種反應物先消耗掉？

11.  從平衡過的化學反應式（方程式），我們知道化學反應的時候，每1個氮N2分子需要3個氫H2分子：N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

12.  因此，氫H2/氮N2的比例是 3 H2 / N2。在我們的實驗中，我們有9個「氫H2」分子和5個「氮N2」分子，「氫/「氮」的比例是 9 H2/5 N2＝1.8H2/1N2。

13.  由於，「氫」/「氮」的實際比例是 1.8：1，這是小於平衡的反應式的比例3：1，所以我們知道，這裡沒有足夠的「氫H2」來與所有的「氮N2」反應。也就是，「氫H2」會先用光，剩下多餘的「氮氣」。

14.  依照平衡式的比例，3個「氮N2」分子，會與9個「氫H2」分子，完全反應，產生6個「氨NH3」分子：

3N2 + 9H2 → 6NH3

並且剩下2個「氮N2」分子，沒有參與反應—這些氮分子是「過量的excess」。

15.  前面的例子說明，「氫」是「限制反應物limiting reactant」。化學反應前，「氫H2」的數量就決定能夠形成的「氨NH3」的數量。這個反應沒有辦法用盡所有的「氮N2」，因為「氫H2」分子跟其中3個「氮N2」分子反應之後，就消耗光了。

 (翻譯編寫Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》)

徐弘毅：

1.          每個人的精神與時間都是有限的，是限量反應物，必須精確地計算與使用。

2.          《明儒學案》胡居仁，江西省餘干縣人，二十歲那年，立志終身追求人生最高的智慧，向古往聖賢學習，徹底解決生命中的一切問題。二十一歲去江西臨川拜見吳與弼，求他指點，也學他老師不願意作官求功名，回家鄉梅溪山中築了幾間房子，住在那裡，侍奉雙親並且教一些子弟讀書。

3.          隱居一段時間之後，為了擴大自己的見識，於是下山到各處尋師訪友，曾經到過福建、浙江、南京等地。再回家鄉之後，與鄉人婁諒、羅一峯、張東白等人，聚集在弋陽的龜山及餘干的應天寺，彼此切磋。並且在白鹿書院和桐源書院講學，教導後進。

4.          胡居仁一生嚴肅堅毅，清苦度日，家中世代務農，雖然如此，胡居仁卻因胸懷大志，理想高遠，所以並不以此而在意，反而覺得蕭然自得。一般人通常都在追求生活上的享受，而忽略了精神上的鍛鍊，胡居仁卻認為應該以仁義滋潤身心，至於居住環境只要勉強過得去就行了。

5.          求學的人就是要專心，只要一懈怠，心中的道理和標準就容易忽略過去；但只要一警醒過來，專心精進，專心精進，則良知就又呈現出來了。

6.          人活著如果真能專注在追求生命理想上，自然胸中不會有邪雜的念頭纏繞著。有些人想要剔除雜念，以為必須克制心中的一切念頭，其實人哪能做到心中毫無念頭呢？只要能專注在追求生命理想上，不讓念頭轉移到邪惡的事情上去就是了。

7.           有人能夠經常體諒別人，心中充滿愛，這都是充分發揮人類天性的緣故。平常像我們被針刺到了就會覺得痛，雖然也是人得一種天性，只是我們一定要分清楚：知道痛是一般人都具有的本能，而善於體諒他人，心懷仁愛卻是人類天性中最值得讚美，最難得做到得一種德性。

8.           人活在世界上，往往會遭遇到一些困難，這時如果能冷靜地分析這件事情應該怎麼做，然後就順著道理去做，不計較成敗得失，那麼自己內心中也就能夠保持心平氣和了。相反地，如果不能順著義理去做，那麼做不成，自然困難還是存在著；即使做成了，相信仍然不是徹底的解決，只是暫時將困難應付過去罷了，心中依舊不會平靜安適的。