한계 반응물과 반응 진행량: 먼저 소모되는 물질과 이론 수득량

개념과 작동 원리

반응물들이 화학량론적 비율과 다르게 섞이면 한 물질이 먼저 소모되어 반응량을 제한합니다. 다른 반응물은 그 시점에 남을 수 있습니다.

N₂+3H₂→2NH₃에서 N₂ 1 mol과 H₂ 2 mol을 섞으면 수소가 부족합니다. 질소가 모두 반응하는 데에는 수소 3 mol이 필요하기 때문입니다.

각 반응물의 nᵢ/νᵢ를 비교한 최솟값이 가능한 반응 진행량 ξ입니다. 생성물은 ν생성물ξ만큼 생기고 남은 반응물은 nᵢ−νᵢξ입니다.

이론 수득량은 정해진 반응만 완전히 진행한다는 기준입니다. 실제로는 평형, 부반응, 분리 손실 때문에 회수한 양이 더 작을 수 있습니다.

한계 반응물이 생성량을 정해요. 반응 후에는 생성물과 남은 반응물을 모두 포함해야 질량이 보존돼요.

정해진 세 반응이 부반응 없이 완결된다고 가정해요. 평형·속도·실제 수득률은 제외해요. 몰질량은 H=1, C=12, N=14, O=16 g/mol의 교육용 원자량으로 계산해요. 원은 몰수 묶음의 모식도이며 실제 분자 수가 아니에요. ξ의 단위는 mol이에요.

ξ = min(nᵢ/νᵢ) · 남은 양 = nᵢ−νᵢξ · 생성량 = ν생성물ξ

반응식의 계수 ν로 나눈 몰수를 비교해야 해요. H₂는 3/2=1.5 mol, O₂는 1/1=1 mol이므로 ξ=1 mol이고 물은 2 mol 생성돼요.

O₂만 1.5 mol로 바꾼 조건과, 투입 몰수는 기준값으로 유지하고 반응식만 암모니아 합성으로 바꾼 조건을 기록해요.