1. Основні закони і закономірності хімічної технології
1.1. Стехіометричні розрахунки. Ступінь перетворення
Основою технологічних розрахунків є два закони: закон збереження маси речовини і закон стехіометричних співвідношень реагуючих речовин. Згідно з останнім, якщо відомо кількість однієї з реагуючих речовин, то завжди можна визначити кількість всіх інших учасників перетворення. Основою розрахунків хіміко-технологічних процесів є рівняння хімічної реакції.
Хімічне рівняння – це скорочений запис хімічних реакцій за допомогою символів і формул.
Розрахунки за хімічними рівняннями засновані на законі збереження маси речовини. Хімічне рівняння показує не тільки якісний склад реагентів, але і їх кількісне співвідношення, яке має назву стехіометрія.
Так, для отримання аміачної селітри необхідне співвідношення початкових компонентів один до одного (1 моль : 1 моль):
NH3 + HNO3 = NH4NO3
1 Моль 1 моль 1моль.
Якщо в реальному процесі бере участь 10 кмоль аміаку, то відповідно до стехіометрії, азотної кислоти необхідно також взяти 10 кмоль.
Наступний приклад свідчить, що залежно від того, в яких співвідношеннях узято початкові реагенти, можна отримувати різні продукти:
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O
1 моль : 2 моль : 1 моль : 2 моль;
H2SO4 + NaOH = NaНSO4 + H2O
1 моль : 1 моль : 1 моль : 1 моль.
У реальному багатотоннажному виробництві оперують категорією кмоль (103моль), і розраховують витрату однієї речовини за відомою витратою іншої. Наприклад, для першої реакції отримання 100 кмоль сульфату натрію (Na2SO4) необхідно 100 кмоль сірчаної кислоти і 200 кмоль лугу. Стехіометрія дозволяє, знаючи кількість речовини одного з учасників процесу, перерахувати кількість усіх інших реагентів.
Ступенем перетворення (XА) реагенту A реакції: A + B = R – називається відношення кількості молей речовини А, яке зазнало перетворення, до початкової кількості молей цієї ж речовини:
,
(1)
де A,0 – кількість реагенту А на початку процесу;
A – кількість речовини А після протікання процесу, інакше кажучи кількість сировини А, що не вступила у перетворення;
ΔA – зміна кількості речовини А в результаті реакції.
Для речовини В наведеної вище реакції ступінь перетворення визначається аналогічно. Отже, ступінь перетворення – це відношення кількості реагенту, що вступив у реакцію, до його початкової кількості.
Завдання 1
Задача 1. Визначити масу оксиду сірки (IV), яка утворюється при спалюванні А кг сірки.
-
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
А, кг
320
500
250
900
1000
750
450
630
580
400
Задача 2. Яка кількість сірчаної кислоти Є необхідною для отримання В т сульфату амонію, якщо виробничі втрати за кислотою склали А%.
-
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
В, т
1
3
1,5
2
2,5
0,8
1,3
2,2
0,5
3,5
А, %
2
3
2,2
2,5
2,75
1,8
2
2,6
1,2
3,2
Задача 3. Яка кількість оксиду азоту (II) утворюється в ході окислення А т аміаку, якщо ступінь перетворення за аміаком складає Х(NН3) = В.
-
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
А, т
2,5
4
3
1,5
4,5
3,5
2,5
2
1
5
В
0,96
0,97
0,98
0,99
0,95
0,96
0,97
0,98
0,95
0,97