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Imagine que você está decorando cupcakes com granulado. Cada cupcake requer um punhado de granulados, então você tem 12 cupcakes, mas dois potes grandes de granulados. Você tem mais granulados do que cupcakes, mas só terminará de decorar 12 cupcakes porque esse é o fator limitante. Em química, o componente que limita a formação do produto é chamado de reagente limitante . Depois de identificá-lo, você pode calcular o rendimento teórico —a quantidade máxima de produto que você pode obter a partir das matérias-primas.

Identificando o Reagente Limitante

Considere a reação que forma amônia a partir do hidrogênio e do nitrogênio:

\(\mathrm{H_2+N_2\rightarrow NH_3}\)

Esta equação está desequilibrada. A forma balanceada é:

\(\mathrm{3H_2+N_2\rightarrow 2NH_3}\)

A partir da equação balanceada, vemos que 3 moles de hidrogênio produzem 2 moles de amônia, e 1 mole de nitrogênio também produz 2 moles de amônia.

Suponha que você comece com 4,5g de hidrogênio e 24g de nitrogênio. Para determinar o reagente limitante, primeiro converta as massas em moles usando as massas molares (H₂=2,02gmol⁻¹, N₂=28,02gmol⁻¹):

\(\mathrm{4,5\,g\,H_2\left(\dfrac{1\,mol\,H_2}{2,02\,g\,H_2}\right)=2,23\,mol\,H_2}\)

\(\mathrm{24\,g\,N_2\left(\dfrac{1\,mol\,N_2}{28,02\,g\,N_2}\right)=0,86\,mol\,N_2}\)

Usando a razão estequiométrica, descubra quanto nitrogênio seria necessário para consumir todos os 2,23 mol de hidrogênio:

\(\mathrm{2,23\,mol\,H_2\left(\dfrac{1\,mol\,N_2}{3\,mol\,H_2}\right)=0,74\,mol\,N_2}\)

Da mesma forma, calcule o hidrogênio necessário para todos os 0,86 mol de nitrogênio:

\(\mathrm{0,86\,mol\,N_2\left(\dfrac{3\,mol\,H_2}{1\,mol\,N_2}\right)=2,58\,mol\,H_2}\)

Como você tem apenas 2,23 mol de hidrogênio – menos dos 2,58 mol necessários para reagir com o nitrogênio disponível – o hidrogênio é o reagente limitante. Uma vez esgotado o hidrogênio, nenhuma amônia adicional pode se formar e qualquer nitrogênio restante é deixado sem uso, assim como o excesso de granulado permanece depois que todos os cupcakes são decorados.

Cálculo do rendimento teórico

Com o hidrogênio identificado como reagente limitante, calcule o máximo de amônia que pode ser produzido:

\(\mathrm{2,23\,mol\,H_2\left(\dfrac{2\,mol\,NH_3}{3\,mol\,H_2}\right)=1,49\,mol\,NH_3}\)

Este valor, 1,49 mol de amônia, é o rendimento teórico – a maior quantidade alcançável se cada molécula de hidrogênio reagisse perfeitamente.

Na prática, as reações químicas raramente ocorrem com 100% de eficiência. As reações colaterais podem consumir alguns dos materiais iniciais, produzindo produtos indesejados. Assim, o rendimento real é normalmente inferior ao rendimento teórico, um conceito análogo a um irmão que rouba um cupcake durante a decoração.