Svi kvantitativni odnosi u proračunu hemijski procesi na osnovu stehiometrije reakcije. Količinu tvari u takvim proračunima pogodnije je izraziti u molovima ili izvedenim jedinicama (kmol, mmol, itd.). Mol je jedna od osnovnih SI jedinica. Jedan mol bilo koje supstance odgovara njenoj količini, numerički jednakoj molekulskoj težini. Stoga, molekularnu težinu u ovom slučaju treba posmatrati kao dimenzijsku vrijednost s jedinicama: g/mol, kg/kmol, kg/mol. Tako, na primjer, molekularna težina dušika je 28 g/mol, 28 kg/kmol, ali 0,028 kg/mol.

Masa i molarne količine supstance povezane su poznatim odnosima

N A \u003d m A / M A; m A = N A M A,

gdje je N A količina komponente A, mol; m A je masa ove komponente, kg;

M A - molekulska težina komponente A, kg/mol.

U kontinuiranim procesima, protok supstance A može se izraziti njenim mol-

količina po jedinici vremena

gdje je W A molarni protok komponente A, mol/s; τ - vrijeme, s.

Za jednostavnu reakciju koja se odvija gotovo nepovratno, obično je stehiomet

Ric jednadžba je zapisana u obliku

v A A + v B B = v R R + v S S.

Međutim, zgodnije je zapisati stehiometrijsku jednačinu u obliku algebarskog

th, uz pretpostavku da su stehiometrijski koeficijenti reaktanata negativni, a produkti reakcije pozitivni:

Tada za svaku jednostavnu reakciju možemo napisati sljedeće jednakosti:

Indeks "0" se odnosi na početnu količinu komponente.

Ove jednakosti daju osnovu za dobivanje sljedećih jednadžbi materijalnog bilansa za komponentu za jednostavnu reakciju:

Primjer 7.1. Reakcija hidrogenacije fenola u cikloheksanol odvija se prema jednadžbi

C 6 H 5 OH + ZN 2 = C 6 H 11 OH, ili A + 3B \u003d R.

Izračunajte količinu nastalog proizvoda ako je početna količina komponente A bila 235 kg, a konačna količina 18,8 kg

Rješenje: Reakciju pišemo kao

R - A - ZV \u003d 0.

Molekularne težine komponenti su: M A = 94 kg/kmol, M B = 2 kg/kmol i

M R = 100 kg/kmol. Tada će molarne količine fenola na početku i na kraju reakcije biti:

N A 0 \u003d 235/94 \u003d 2,5; N A 0 = 18,8 / 94 = 0,2; n = (0,2 - 2,5) / (-1) = 2,3.

Količina formiranog cikloheksanola bit će jednaka

N R \u003d 0 + 1 ∙ 2,3 = 2,3 kmol ili m R = 100 2,3 = 230 kg.

Određivanje stehiometrijski nezavisnih reakcija u njihovom sistemu u materijalnim i termičkim proračunima reakcionih aparata je neophodno da bi se isključile reakcije koje su zbir ili razlika nekih od njih. Takva procjena se najlakše može izvršiti korištenjem Gramovog kriterija.

Kako se ne bi vršili nepotrebni proračuni, treba procijeniti da li je sistem stehiometrijski zavisan. Za ove namjene potrebno je:

Transponirati originalnu matricu reakcionog sistema;

Pomnožite originalnu matricu sa transponovanom;

Izračunajte determinantu rezultirajuće kvadratne matrice.

Ako je ova determinanta jednaka nuli, onda je reakcioni sistem stehiometrijski zavisan.

Primjer 7.2. Imamo sistem reakcije:

FeO + H 2 \u003d Fe + H 2 O;

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O;

FeO + Fe 2 O 3 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O.

Ovaj sistem je stehiometrijski zavisan jer je treća reakcija zbir druge dvije. Napravimo matricu

Koji proučava kvantitativne odnose između supstanci koje su ušle u reakciju i nastale tokom nje (od drugog grčkog "stehion" - "elementarni sastav", "meitren" - "mjerim").

Stehiometrija je najvažnija za proračune materijala i energije, bez koje je nemoguće organizirati bilo kakvu hemijsku proizvodnju. Hemijska stehiometrija vam omogućava da izračunate količinu sirovina potrebnih za određenu proizvodnju, uzimajući u obzir željene performanse i moguće gubitke. Nijedno preduzeće se ne može otvoriti bez preliminarnih kalkulacija.

Malo istorije

Sama riječ "stehiometrija" izum je njemačkog hemičara Jeremyja Benjamina Rihtera, koji je on predložio u svojoj knjizi, u kojoj je prvi put opisana ideja o mogućnosti proračuna pomoću hemijskih jednačina. Kasnije su Rihterove ideje dobile teorijsko opravdanje otkrićem zakona Avogadra (1811), Gay-Lussaca (1802), zakona konstantnosti kompozicije (J.L. Proust, 1808), višestrukih odnosa (J. Dalton, 1803) i razvoj atomske i molekularne teorije. Sada se ovi zakoni, kao i zakon ekvivalenata, koji je formulirao sam Richter, nazivaju zakoni stehiometrije.

Koncept "stehiometrije" se koristi u odnosu na supstance i hemijske reakcije.

Stehiometrijske jednačine

Stehiometrijske reakcije - reakcije u kojima početne tvari međusobno djeluju u određenim omjerima, a količina proizvoda odgovara teorijskim proračunima.

Stehiometrijske jednadžbe su jednadžbe koje opisuju stehiometrijske reakcije.

Stehiometrijske jednačine) pokazuju kvantitativne odnose između svih učesnika u reakciji, izražene u molovima.

Većina ne organske reakcije- stehiometrijski. Na primjer, tri uzastopne reakcije za proizvodnju sumporne kiseline iz sumpora su stehiometrijske.

S + O 2 → SO 2

SO 2 + ½O 2 → SO 3

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4

Proračuni koji koriste ove reakcijske jednačine mogu odrediti koliko je potrebno uzeti za svaku tvar da bi se dobila određena količina sumporne kiseline.

Većina organskih reakcija je nestehiometrijska. Na primjer, jednadžba reakcije za krekiranje etana izgleda ovako:

C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2 .

Međutim, u stvarnosti, tokom reakcije uvijek će se dobiti različite količine nusproizvoda - acetilen, metan i drugi, što se teoretski ne može izračunati. Neke neorganske reakcije također prkose proračunima. Na primjer, amonijum nitrat:

NH 4 NO 3 → N 2 O + 2H 2 O.

Ide u nekoliko smjerova, pa je nemoguće odrediti koliko je potrebno uzeti polaznog materijala da bi se dobila određena količina dušikovog oksida (I).

Stehiometrija je teorijska osnova hemijske proizvodnje

Sve reakcije koje se koriste u ili u proizvodnji moraju biti stehiometrijske, odnosno podložne tačnim proračunima. Hoće li fabrika ili fabrika biti profitabilna? Stehiometrija vam omogućava da saznate.

Na osnovu stehiometrijskih jednačina napravljena je teorijska ravnoteža. Potrebno je odrediti koliko će polaznih materijala biti potrebno da se dobije željena količina proizvoda od interesa. Dalje se provode operativni eksperimenti koji će pokazati stvarnu potrošnju polaznih materijala i prinos proizvoda. Razlika između teorijskih proračuna i praktičnih podataka omogućava vam da optimizirate proizvodnju i procijenite buduću ekonomsku efikasnost poduzeća. Stehiometrijski proračuni također omogućavaju sastavljanje toplinske ravnoteže procesa kako bi se odabrala oprema, odredile mase formiranih nusproizvoda koje će trebati ukloniti i tako dalje.

Stehiometrijske supstance

Prema zakonu o postojanosti kompozicije koji je predložio J.L. Prust, svaka hemikalija ima konstantan sastav, bez obzira na način pripreme. To znači da će, na primjer, u molekulu sumporne kiseline H 2 SO 4, bez obzira na metodu kojim je dobivena, uvijek biti jedan atom sumpora i četiri atoma kisika na dva atoma vodika. Sve supstance koje imaju molekularnu strukturu su stehiometrijske.

Međutim, u prirodi su rasprostranjene supstance čiji se sastav može razlikovati ovisno o načinu pripreme ili izvoru porijekla. Velika većina njih jeste kristalne supstance. To bi se čak moglo reći i za čvrste materije stehiometrija je prije izuzetak nego pravilo.

Na primjer, razmotrite sastav dobro proučenog titanijum karbida i oksida. U titanijum oksidu TiO x X=0,7-1,3, odnosno od 0,7 do 1,3 atoma kiseonika po atomu titanijuma, u karbidu TiC x X=0,6-1,0.

Nestehiometrijski čvrste materije se objašnjava intersticijskim defektom u čvorovima kristalne rešetke ili, obrnuto, pojavom slobodnih mjesta u čvorovima. Takve tvari uključuju okside, silicide, boride, karbide, fosfide, nitride i druge neorganske tvari, kao i visokomolekularne organske.

I iako je dokaze o postojanju jedinjenja promjenjivog sastava iznio tek početkom 20. stoljeća I.S. Kurnakov, takve tvari se često nazivaju bertolidi po imenu naučnika K.L. Berthollet, koji je sugerirao da se sastav bilo koje tvari mijenja.

Prilikom sastavljanja jednadžbe za redoks reakciju (ORR) potrebno je odrediti redukcijsko sredstvo, oksidant i broj datih i primljenih elektrona. OVR stehiometrijski koeficijenti se biraju metodom ravnoteže elektrona ili metodom balansa elektrona-jona (posljednja se također naziva metoda polureakcije). Pogledajmo nekoliko primjera. Kao primjer sastavljanja OVR jednadžbi i odabira stehiometrijskih koeficijenata analiziramo proces oksidacije željezovog (II) disulfida (pirita) koncentriranom dušičnom kiselinom: Prije svega određujemo moguće produkte reakcije. Dušična kiselina je jako oksidaciono sredstvo, pa se sulfidni ion može oksidirati ili do maksimalnog oksidacionog stanja S (H2S04) ili do S (SO2), a Fe u Fe, dok se HN03 može reducirati na N0 ili N02 (skup specifičnim proizvodima određuju se koncentracije reagensa, temperatura itd.). Odaberimo sljedeću moguću opciju: H20 će biti na lijevoj ili desnoj strani jednačine, još ne znamo. Postoje dvije glavne metode za odabir koeficijenata. Prvo primijenimo metodu ravnoteže elektrona i jona. Suština ove metode je u dvije vrlo jednostavne i vrlo važne izjave. Prvo, ova metoda razmatra prelaz elektrona iz jedne čestice u drugu, uz obavezno razmatranje prirode medija (kiselog, alkalnog ili neutralnog). Drugo, prilikom sastavljanja jednačine ravnoteže elektron-jona, evidentiraju se samo one čestice koje stvarno postoje tokom datog OVR-a - samo stvarno postojeći katjoni ili anoni se snimaju u obliku jona; Supstance koje su slabo disocijacije, nerastvorljive ili oslobođene u obliku gasa zapisuju se u molekularnom obliku. Prilikom sastavljanja jednadžbe za procese oksidacije i redukcije, radi izjednačavanja broja atoma vodika i kisika, uvode se (ovisno o mediju) ili molekule vode i vodikovi ioni (ako je medij kiseli), ili molekuli vode i hidroksid ioni. (ako je medij alkalni). Razmotrimo za naš slučaj polu-reakciju oksidacije. Molekuli FeS2 (slabo topiva supstanca) se pretvaraju u Fe3+ ione (gvožđe nitrat (II) potpuno disocira u ione) i sulfatne ione S042" (disocijacija H2SO4): Razmotrimo sada polureakciju redukcije nitratnog jona: Da izjednačimo kiseonik, na desnu stranu dodamo 2 molekula vode, a na levu - 4 H + jona: Da izjednačimo naelektrisanje na levoj strani (naelektrisanje +3), dodamo 3 elektrona: Konačno, imamo: Smanjenje oba dela za 16H + i 8H20, dobijamo konačnu, redukovanu ionsku jednačinu redoks reakcije: dodavanjem odgovarajućeg broja NOJ nH+ jona na obe strane jednačine, nalazimo molekularna jednačina reakcije: Imajte na umu da nikada nismo morali odrediti oksidacijsko stanje elemenata da bismo odredili broj doniranih i primljenih elektrona. Osim toga, uzeli smo u obzir uticaj okoline i „automatski“ utvrdili da je H20 na desnoj strani jednačine. Nema sumnje da ova metoda ima veliko hemijsko značenje. Metoda empirijske ravnoteže. Suština metode određivanja stehiometrijskih koeficijenata u jednadžbi OVR je obavezno određivanje oksidacionih stanja atoma elemenata uključenih u OVR. Ovim pristupom ponovo izjednačavamo reakciju (11.1) (gore smo na ovu reakciju primijenili metodu polureakcija). Proces redukcije je jednostavno opisan: Teže je napraviti shemu oksidacije, jer se dva elementa oksidiraju odjednom - Fe i S. Možete dodijeliti željezo oksidacijsko stanje +2, sumpor - 1 i uzeti u obzir da postoji su dva S atoma po atomu Fe: Možete, međutim, učiniti bez određivanja oksidacijskih stanja i zapisati shemu koja liči na šemu (11.2): Desna strana ima naelektrisanje od +15, lijeva strana ima naboj od 0, tako da FeS2 mora odustati od 15 elektrona. Zapisujemo ukupnu ravnotežu: Još uvijek trebamo "odgonetnuti" rezultirajuću jednadžbu ravnoteže - ona pokazuje da se 5 molekula HN03 koristi za oksidaciju FeS2, a još 3 molekula HNO su potrebne za formiranje Fe(N03)j: Za izjednačavanje vodika i kisika, u desni dio trebate dodati 2 molekule H20: Metoda ravnoteže elektrona i jona je svestranija od metode ravnoteže elektrona i ima neospornu prednost u odabiru koeficijenata u mnogim OTS-ima, posebno uz učešće organskih jedinjenja, kod kojih je čak i postupak određivanja oksidacionih stanja veoma komplikovan. - Razmotrimo, na primjer, proces oksidacije etilena, koji se događa kada se propušta kroz vodeni rastvor kalijum permanganata. Kao rezultat toga, etilen se oksidira u etilen glikol HO - CH2 - CH2 - OH, a permanganat se reducira u manganov oksid (TV), osim toga, kao što će biti očito iz konačne jednadžbe ravnoteže, na desnoj strani nastaje i kalijum hidroksid : Nakon potrebnih redukcija takvih pojmova, zapisujemo jednačinu u konačnom molekularnom obliku * Uticaj medija na prirodu toka OVR Primjeri (11.1) - (11.4) jasno ilustruju "tehniku" korištenja Metoda ravnoteže elektron-jona u slučaju OVR strujanja u kiseloj ili alkalnoj sredini. Priroda okoline utiče na tok jednog ili drugog OVR-a; da bismo „osetili“ ovaj uticaj, razmotrimo ponašanje jednog te istog oksidacionog agensa (KMnO4) u različitim sredinama. , obnavljajući do Mn+4 (Mn0j), a minimum - u jačini posljednjeg, u kojem je uskrsnuo Shaiyaaapsya do (mvnganat-nOn Mn042"). Ovo se objašnjava na sljedeći način. Kiseline linije disocijacije formiraju hidroksidne ione ffjO +, koji snažno polariziraju 4" MoOH jona. Slabe veze mangana sa kisikom (čime se pojačava djelovanje redukcijskog agensa) .. U neutralnom mediju, polarizacijski učinak molekula vode je značajno c-aafep. >"MnO joni; mnogo manje polarizovan. U jako alkalnoj sredini, hidroksidni joni „čak jačaju vezu Mn-O, usled čega se smanjuje efikasnost redukcionog sredstva i MnO^ prihvata samo jedan elektron. Primjer ponašanja kalijum permanganata u neutralnom mediju predstavlja reakcija (11.4). Navedimo i jedan primjer reakcija koje uključuju KMnOA u kiseloj i alkalnoj sredini

stehiometrija- kvantitativni odnosi između reagujućih supstanci.

Ako reaktanti ulaze u kemijsku interakciju u strogo određenim količinama, a kao rezultat reakcije nastaju tvari čija se količina može izračunati, tada se takve reakcije nazivaju stehiometrijski.

Zakoni stehiometrije:

Koeficijenti u hemijskim jednadžbama prije formula hemijska jedinjenja pozvao stehiometrijski.

Svi proračuni prema hemijskim jednačinama zasnovani su na upotrebi stehiometrijskih koeficijenata i povezani su sa pronalaženjem količine supstance (broj molova).

Količina supstance u jednadžbi reakcije (broj molova) = koeficijent ispred odgovarajućeg molekula.

N / A=6,02×10 23 mol -1 .

η - odnos stvarne mase proizvoda m str na teoretski moguće m t, izraženo u dijelovima jedinice ili kao postotak.

Ako prinos produkta reakcije nije naveden u uvjetu, tada se u proračunima uzima jednakim 100% (kvantitativni prinos).

Šema proračuna prema jednadžbi hemijskih reakcija:

1. Napišite jednačinu za hemijsku reakciju.
2. Iznad hemijskih formula supstanci napišite poznate i nepoznate količine sa mjernim jedinicama.
3. Pod hemijskim formulama supstanci sa poznatim i nepoznatim, zapišite odgovarajuće vrednosti ovih količina koje se nalaze iz jednačine reakcije.
4. Sastavite i riješite proporcije.

Primjer. Izračunajte masu i količinu supstance magnezijum oksida koja nastaje pri potpunom sagorevanju 24 g magnezijuma.

Za svaku supstancu u reakciji postoje sledeće količine supstance:

Početna količina i-te supstance (količina supstance pre početka reakcije);

Konačna količina i-te supstance (količina supstance na kraju reakcije);

Količina izreagovane (za početne supstance) ili formirane supstance (za produkte reakcije).

Pošto količina supstance ne može biti negativna, za početne supstance

Od >.

Za produkte reakcije >, dakle, .

Stehiometrijski odnosi - odnosi između količina, masa ili zapremina (za gasove) reagujućih supstanci ili produkta reakcije, izračunati na osnovu jednačine reakcije. Proračuni pomoću jednadžbi reakcija zasnivaju se na osnovnom zakonu stehiometrije: omjer količina reagujućih ili formiranih supstanci (u molovima) jednak je omjeru odgovarajućih koeficijenata u jednadžbi reakcije (stehiometrijski koeficijenti).

Za aluminotermnu reakciju opisanu jednadžbom:

3Fe 3 O 4 + 8Al = 4Al 2 O 3 + 9Fe,

količine izreagiranih supstanci i produkta reakcije povezane su kao

Za proračune je prikladnije koristiti drugu formulaciju ovog zakona: omjer količine izreagirane ili formirane tvari kao rezultat reakcije prema njenom stehiometrijskom koeficijentu je konstanta za datu reakciju.

Općenito, za reakciju forme

aA + bB = cC + dD,

gdje mala slova označavaju koeficijente, a velika slova - hemijske supstance, količine reaktanata povezane su omjerom:

Bilo koja dva člana ovog omjera, povezana jednakošću, čine proporciju kemijske reakcije: na primjer,

Ako je masa nastale ili izreagovane supstance reakcije poznata za reakciju, tada se njena količina može naći po formuli

a zatim, koristeći proporciju hemijske reakcije, može se pronaći za preostale supstance reakcije. Supstanca, po čijoj se masi ili količini nalaze mase, količine ili zapremine drugih učesnika u reakciji, ponekad se naziva referentna supstanca.

Ako su date mase nekoliko reagensa, tada se izračunavanje masa preostalih tvari vrši prema tvari koja je manjkava, odnosno potpuno se potroši u reakciji. Količine tvari koje točno odgovaraju jednadžbi reakcije bez viška ili manjka nazivaju se stehiometrijske veličine.

Dakle, u zadacima vezanim za stehiometrijske proračune, glavna radnja je pronaći referentnu tvar i izračunati njenu količinu koja je ušla ili nastala kao rezultat reakcije.

Proračun količine pojedinačne čvrste supstance

gdje je količina pojedinačnih čvrstih A;

Masa pojedinačne čvrste supstance A, g;

Molarna masa supstance A, g/mol.

Proračun količine prirodnog minerala ili mješavine čvrstih tvari

Neka je naveden prirodni mineral pirit čija je glavna komponenta FeS 2 . Pored toga, sastav pirita uključuje nečistoće. Sadržaj glavne komponente ili nečistoća je naznačen u masenim procentima, na primjer, .

Ako je sadržaj glavne komponente poznat, onda

Ako je poznat sadržaj nečistoća, onda

gdje je količina pojedinačne supstance FeS 2, mol;

Masa mineralnog pirita, g.

Slično, količina komponente u mješavini čvrstih tvari se izračunava ako je poznat njen sadržaj u masenim udjelima.

Izračunavanje količine supstance čiste tečnosti

Ako je masa poznata, onda je proračun sličan proračunu za pojedinačnu čvrstu materiju.

Ako je zapremina tečnosti poznata, onda

1. Pronađite masu ove zapremine tečnosti:

m f = V f s f,

gdje je m W masa tekućine g;

V W - zapremina tečnosti, ml;

c w je gustina tečnosti, g/ml.

2. Pronađite broj molova tečnosti:

Ova tehnika je pogodna za sve stanje agregacije supstance.

Odrediti količinu supstance H 2 O u 200 ml vode.

Rješenje: ako temperatura nije navedena, tada se pretpostavlja da je gustoća vode 1 g / ml, tada:

Izračunajte količinu otopljene tvari u otopini ako je poznata njena koncentracija

Ako su poznati maseni udio otopljene tvari, gustina otopine i njen volumen

m r-ra \u003d V r-ra s r-ra,

gdje je m p-ra masa otopine, g;

V p-ra - zapremina rastvora, ml;

sa r-ra - gustina rastvora, g / ml.

gdje je masa otopljene tvari, g;

Maseni udio otopljene supstance, izražen u%.

Odrediti količinu supstance azotne kiseline u 500 ml 10% rastvora kiseline gustine 1,0543 g/ml.

Odrediti masu otopine

m r-ra = V r-ra s r-ra = 500 1,0543 = 527,150 g

Odrediti masu čistog HNO 3

Odredite broj molova HNO 3

Ako su poznati molarna koncentracija otopljene tvari i tvari i volumen otopine, onda

gdje je zapremina rastvora, l;

Molarna koncentracija i-te supstance u rastvoru, mol/l.

Proračun količine pojedine gasovite supstance

Ako je data masa gasovite supstance, onda se ona izračunava po formuli (1).

Ako je dat volumen izmjeren u normalnim uslovima, onda prema formuli (2), ako se zapremina gasovite supstance meri pod bilo kojim drugim uslovima, onda prema formuli (3), formule su date na stranicama 6-7.