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Imaginez que vous décorez des cupcakes avec des pépites. Chaque cupcake nécessite une poignée de pépites, vous avez donc 12 cupcakes mais deux grands pots de pépites. Vous avez plus de pépites que de cupcakes, mais vous ne finirez de décorer que 12 cupcakes car c'est le facteur limitant. En chimie, le composant qui limite la formation de produit est appelé le réactif limitant. . Une fois que vous l'avez identifié, vous pouvez calculer le rendement théorique —la quantité maximale de produit que vous pourriez obtenir à partir des matières premières.
Considérons la réaction qui forme de l'ammoniac à partir de l'hydrogène et de l'azote :
\(\mathrm{H_2+N_2\rightarrow NH_3}\)
Cette équation est déséquilibrée. La forme équilibrée est :
\(\mathrm{3H_2+N_2\rightarrow 2NH_3}\)
À partir de l'équation équilibrée, nous voyons que 3 moles d'hydrogène produisent 2 moles d'ammoniac, et 1 mole d'azote produit également 2 moles d'ammoniac.
Supposons que vous commenciez avec 4,5 g d’hydrogène et 24 g d’azote. Pour déterminer le réactif limitant, convertissez d'abord les masses en moles en utilisant les masses molaires (H₂=2,02gmol⁻¹, N₂=28,02gmol⁻¹) :
\(\mathrm{4.5\,g\,H_2\left(\dfrac{1\,mol\,H_2}{2.02\,g\,H_2}\right)=2.23\,mol\,H_2}\)
\(\mathrm{24\,g\,N_2\left(\dfrac{1\,mol\,N_2}{28.02\,g\,N_2}\right)=0,86\,mol\,N_2}\)
À l'aide du rapport stœchiométrique, déterminez la quantité d'azote nécessaire pour consommer les 2,23 moles d'hydrogène :
\(\mathrm{2.23\,mol\,H_2\left(\dfrac{1\,mol\,N_2}{3\,mol\,H_2}\right)=0.74\,mol\,N_2}\)
De même, calculez l'hydrogène nécessaire pour l'ensemble des 0,86 moles d'azote :
\(\mathrm{0,86\,mol\,N_2\left(\dfrac{3\,mol\,H_2}{1\,mol\,N_2}\right)=2,58\,mol\,H_2}\)
Parce que vous ne disposez que de 2,23 moles d’hydrogène, soit moins que les 2,58 moles nécessaires pour réagir avec l’azote disponible, l’hydrogène est le réactif limitant. Une fois l'hydrogène épuisé, plus d'ammoniac ne peut se former et tout azote restant reste inutilisé, tout comme l'excès de pépites reste une fois que tous les cupcakes sont décorés.
Avec l'hydrogène identifié comme réactif limitant, calculez l'ammoniac maximum pouvant être produit :
\(\mathrm{2.23\,mol\,H_2\left(\dfrac{2\,mol\,NH_3}{3\,mol\,H_2}\right)=1.49\,mol\,NH_3}\)
Cette valeur, 1,49 mole d'ammoniac, est le rendement théorique :la quantité la plus élevée pouvant être atteinte si chaque molécule d'hydrogène réagissait parfaitement.
En pratique, les réactions chimiques se déroulent rarement avec une efficacité de 100 %. Les réactions secondaires peuvent consommer une partie des matières premières, produisant des produits inattendus. Ainsi, le rendement réel est généralement inférieur au rendement théorique, un concept analogue à celui d'un frère ou d'une sœur volant un cupcake pendant la décoration.