Стехіометрія і матеріальний баланс хімічної реакції. Матеріальний баланс простої реакції.

Розділ хімії, що вивчає співвідношення в яких витрачаються або утворюються сполуки в хімічних реакціях називається хімічною стехіометрією. З точки зору хімічної стехіометрії всі реакції поділяються на прості і складні. Прості реакції характеризуються тим, що в ході їх перебігу відбувається єдине незворотне в даних умовах, перетворення одних речовин в другі. Описати таке перетворення можна одним стехіометричним рівнянням. При цьому в реакційному середовищі не нагромаджуються в помітних кількостях стабільні продукти які не відображені цим стехіометричним рівнянням. Стехіометричні рівняння вигляду , та можуть бути використані для описання простих реакцій. Переважно участь в простій реакції приймає невелика кількість реагентів. Більш характерним для простої реакції є рівняння . Проте, для збереження загальності, при аналізі стехіометричних закономірностей перебігу простих реакцій будемо використовувати їх запис у формі стехіометричного рівняння .

Зауваження. Термін «проста хімічна реакція» не слід плутати з терміном «елементарна хімічна реакція».. Елементарні хімічні реакції обов’язково є простими, але далеко не всі прості реакції є елементарними. Прості реакції можуть протікати через ряд елементарних реакцій. В багатьох випадках невідомо всі елементарні хімічні реакції через яку реалізується проста реакція. Елементарна реакція, це та реакція яка відбувається за один акт взаємодії між частинками що реагують. Для простої реакції такої вимоги не немає. Достатньо, щоб проміжні частинки, які утворюються в ході елементарних реакцій не порушували матеріального балансу, що записаний по стехіометричному рівнянню цієї реакції.

Для будь якої простої реакції можна записати рівності:

,

де n_*i, n_*i,0 – кількість та початкова кількість компонент реакції, відповідно G_*i , G_*i,0 мольний потік та початковий мольний потік компонентів, якщо розглядається проточна система. Зірочка в індексі замінює символ A або P, на які поширюється це позначення.

Рівняння записані на основі закону кратних співвідношень. Вони є основою для складання матеріального балансу простої реакції.

Величини x та x_G позитивні, інваріантні відносно всіх компонентів реакції. В частині літератури ці величини називають повнотою реакції. Слід вважати даний термін не зовсім вдалим. Під повнотою реакції можна розуміти і конверсію, яка суттєво відрізняється від величин x та x_G. Більш вдало до цих величин використовувати термін координата реакції. В межах даного курсу буде використовуватись саме цей термін.

Рівняння дозволяють записати рівняння матеріального балансу простих реакцій:

Якщо для простої реакції відома кількість одного з реагентів або продуктів в реакційній суміші, тоді за рівнянням можна оцінити значення x або x_G. Оцінка цих величин дозволяє розрахувати кількість всіх інших компонентів реакції. Іншими словами – для того щоб розрахувати склад реакційної суміші (або скласти матеріальний баланс ) простої реакції необхідно знати концентрацію одного з компонентів реакції. При тому вважається, що початкові концентрації завжди відомі. Кількість компоненту в реакційній суміші можна встановити або експериментальним шляхом, або через рішення прямої кінетичної задачі.

Якщо в ході реакції реакційний об’єм не змінюється (або змінюється незначно) тоді рівняння матеріального балансу можна переписати у вигляді:

,

де C_*i,0 та C_*i початкова концентрація компонента та його концентрація в реакційній суміші.

Приклад. Реакцію диспропорціонування циклогексену в циклогексан, по при те, що вона протікає через цілий ряд елементарних стадій, можна записати рівнянням простої реакції :

Необхідно розрахувати склад реакційної суміші, якщо в реакцію завантажили 12 моль циклогексену. Відомо, що через певний час його концентрація в реакційній суміші становила 3 моля. В початковій суміші циклогексану та бензолу не було.

За умовою . Рівняння реакції можна переписати в формі рівняння :

За рівнянням . За рівняннями матеріального балансу :

Таким чино реакційна суміш складається з 3 молів циклогексену, 6 молів циклогексану та 3 молів бензолу.