99388

Способы выражения концентрации

Лекция

Химия и фармакология

При изучении химико-технологических процессов приходится иметь дело не с чистыми компонентами, а с их смесями в различных фазах. Для характеристики состава такой смеси пользуются относительными содержаниями (концентрациями) тех или иных компонентов.

Русский

2016-09-12

45.91 KB

1 чел.

Лекция 3.

Способы выражения концентрации

В предыдущей лекции мы пользовались экстенсивной мерой мольного количества - ni и мольным потоком - Fi и экстенсивной мерой степени полноты реакции n (F). При этом подразумевается, как и в термодинамике, что каждый раз, когда система каким-либо образом увеличивается вдвое, обе эти переменные тоже удваиваются.

При изучении химико-технологических процессов приходится иметь дело не с чистыми компонентами, а с их смесями в различных фазах. Для характеристики состава такой смеси пользуются относительными содержаниями (концентрациями) тех или иных компонентов.

Концентрация является интенсивной мерой состава. Наиболее часто используют мольные, массовые и объемные концентрации, которые связаны между собой.

  1.  Мольная концентрация – отношение количества молей вещества, содержащегося в растворе к объему этого раствора. Если в объеме V находятся Nj молей вещества Aj, то мольная концентрация вещества Aj равна

 cj = Nj/V         [3.1]

  1.  Массовая концентрация – отношение массы вещества, содержащегося в растворе к объему этого раствора. Если масса вещества Aj содержится в растворе объемом V, равна Mj, то массовая концентрация Cj, или плотность вещества ρj определяется по формуле:

 Cj = Mj/V  или  ρjj/V    [3.2]

Массовая концентрация имеет размерность плотности, поэтому ее часто называют плотностью вещества Aj в смеси. При этом сумма массовых концентраций всех составляющих смеси ΣCj = ρ =М/V  равняется плотности реакционной смеси.

  1.  Мольная доля – отношение количества молей вещества Aj к полному числу молей в смеси. Если полное число молей в системе N = ΣNi, а количество молей вещества равно Ni, то мольная доля вещества

 хj = Nj/N = Nj/ΣNi        [3.3]

  1.  Массовая доля – отношение массы вещества Aj к общей массе смеси. Если общая масса смеси равна М = ΣМi, а Мj – масса вещества Aj, то массовая доля вещества

gj = Mj/M = Mj/ΣMi или  

gj = 100%·Mj/M =100%·Mj/ΣMi      [3.4]

Соотношение указанных мер концентрации представлено в таблице.

В диагональных клетках дано определение соответствующей величины, а в остальных клетках переменные, обозначающие строки таблицы, выражены через переменные, обозначающие ее столбцы.

Для идеальных газов удобной мерой концентрации является парциальное давление компонентов. Согласно закону Дальтона, парциальное давление pj вещества Aj связано с общим давлением Р следующим соотношением:

  pj = xjP      [3.5]

Для идеальных газов имеем согласно закону Менделеева-Клапейрона

   pjV = NjRT      [3.6]

выполнив простые преобразования получим

   или     [3.7]

откуда используя уравнение [3.5] получим     

         [3.8] 

В случае неидеальных газов уравнение [3.8] следует модифицировать, введя коэффициент сжимаемости Zj, который определяется из справочных таблиц. При этом получаем:

       [3.9]

        [3.10]

Нередко объем реакционной смеси (л, м3) или объемный поток (л или м3 в секунду, минуту или час) остаются  постоянными в течение всего продолжения реакции. Это типично для жидкофазных процессов. Для газофазных процессов встречается в тех случаях, когда реакция протекает при постоянном общем давлении и температуре, без изменения числа молей веществ или без промежуточного разбавления смеси. Для таких процессов справедливы концентрационных формы всех выведенных ранее уравнений баланса и формул для расчета безразмерных характеристик реакций, т.е. в этих уравнения можно вместо nj и Fj подставлять сj.

Более сложные соотношения существуют для реакций, протекающих с изменением объема. При жидкофазных процессах это бывает при поглощении какого-либо газа жидкостью или при разложении жидкого вещества с образованием летучих продуктов. Тогда объем жидкой фазы в любой момент времени протекания реакции находят с помощью коэффициента изменения объема ε по уравнению

        [3.11]

где V0 и V – начальный и текущий объемы, а Z – некоторая функция, от которой зависит изменение объема (например, степень конверсии или число присоединившихся молей газа). При этом коэффициент изменения объема определяется выражением

       [3.12]

и является положительным при увеличении объема смеси во время реакции и отрицательным при его уменьшении. Тогда выражение для текущей концентрации примет вид

        [3.13]

Пример.

При оксиэтилировании спиртов для получения неионогенных ПАВ барботируют газообразный этиленоксид через жидкую реакционную массу при катализе гидроксидом натрия:

Найти концентрацию NaOH, когда к 1 моль спирта присоединилось 10 моль этиленоксида, если начальная концентрация NaOH равна С0=0,022 моль/л, а коэффициент изменения объема при присоединении одной оксиэтильной группы равен ε = 0,12. Находим:

    

Для газофазных процессов изменение объема обычно происходит из-за неравенства числа молей веществ во время реакции (разложение, присоединение и др.). Его можно учитывать с помощью введенных выше коэффициентов изменения объема, которые для газообразного состояния веществ зависят от начального и конечного числа молей смеси:

        [3.14]

Например, для реакции А → B + Z в отсутствие разбавителей имеем
ε = (2 - 1) : 1 = +1, а для превращения A + Y → В при эквимольном соотношении реагентов и в отсутствие разбавителей ε = (1 - 2) : 2 = -0,5.

Для первой реакции при мольном соотношении инертного разбавителя β0 получим:

      

Для второй реакции при мольном избытке второго реагента βY получаем:

      

Особенно удобно использовать коэффициенты изменения объема для простых и обратимых реакций, когда имеем:

      [3.15]  

При подстановке Fi как функции FA,0 и XA оказывается, что ci выражается через начальную концентрацию (cA,0 = FA,0/W0) .

Например, для реакции AB + Z имеем:

    и т.д.   

Последние уравнения справедливы при T = const. Из-за пропорциональности концентраций парциальным давлениям можно записать соотношения, не зависящие от температуры:

   и т.д.      Более общий способ расчета парциальных давлений состоит в использовании мольных долей веществ, которые находят из парциальных молярных балансов

   [3.16]

где β0 – мольное соотношение инертных разбавителей и основного реагента А в исходной смеси. После этого парциальные давления вычисляют по формуле

pi = Ni Pобщ        [3.17]

где Робщ – общее давление смеси, которое для большинства процессов можно считать постоянным.  

Задание для самостоятельной работы к лекции 3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25207. Cубстанційна концепція моральних добра і зла 35 KB
  Добро і зло в цих системах мають субстанційну природу це два самостоятельних рівноправних початка світу. Боротьба цих двох початків визначає розвиток світу. Добро і зло в данному випадку онтологізуються це надлюдські сили які складають дуальну основу світу. Абсолютне Благо верховний принцип існування нерухомого світу ідей і матерія як косное неструктурированное начало составляют вместе рамки проявления добра и зла их онтологічна основа.
25208. Християнське обґрунтування моралі. Євангельська моральна доктрина 44 KB
  Підставою всього ранньохристиянського світогляду була абсолютна орієнтованість на Бога як джерела й ціль будьяких чел. Шлях до Бога є шлях порятунку через народження понад і фізичну смерть. є подоба Бога. образа Бога.
25209. Сучасний дискурс справедливості 25 KB
  Сучасний дискурс справедливості. Одною з найяскравіших робіт що зможе розкрити це питання є робота Роулза Теорія справедливості€. По суті теорія справедливості означає розрив з традицією. Головною засадою за Роулзом є інтуїтивне почуття справедливості.
25210. Життєвий світ в феноменологічній філософії 28.5 KB
  Життєвий світ в феноменологічній філософії Гуссерль Криза європейських наук та трансцендентальна феноменологія€ Життєвий світ€ як безпосередньо актуально існуюча сфера первинних засад знання як дійсних форм досвідного споглядання серед яких ми самі живемо відповідно до тілесного способу існування особистості. Життєвий світ як необхідна передумова будьякого досвіду трансцендентальна умова. Виходячи із перспективи життєвого світу Гуссерль критикує ідеалізацію обєктивізму наук про природу які піддають забуттю життєвий світ...
25211. Основи метафізики звичаїв (моральності) 26.5 KB
  Основи метафізики звичаїв моральності Основи метафізики звичаїв 1785 входить до циклу праць в яких Кант висвітлює основні положення своєї практичної філософії. Головна мета роботи встановлення вищого принципу моральності. Шлях реалізації мети потрійний перехід: від повсякденного моральнісного пізнання до філософського від популярної моральної філософії до метафізики моральності і від метафізики моральності до критики чистого практичного розуму. Обґрунтовання поняття метафізики моральності.
25212. Неоднорідність і роздвоєність свідомості: усідомлюване і позасвідоме 28 KB
  Неоднорідність і роздвоєність свідомості: усідомлюване і позасвідоме Формування ідеї неоднорідності психіки і наявності такого важливого її виміру як позасвідоме має тривалу історію. Свідоме Я і позасвідоме Воно Фройд повязує з фотографічним відбитком і негативом. Позасвідоме віддає свідомості частину свого внутрішнього змісту тієї різноманітої інформації якою воно володіє. Проте далеко не все чим володіє позасвідоме може усвідомлюватися оскільки свідомості властиві агресивність консервативність які перешкоджають сприйняттю змісту...
25213. Гелен Систематика антропології 23.5 KB
  Людина є €œбіологічно недосконалою€ істотою оскільки їй не вистачає інстинктів. €œЛюдина це істота визначена своїми недоліками€. Людина приречена до діяльної активності що реалізується в різних формах культури. Щоб вижити людина має пристосувати свою безпорадність собі ж на користь.
25214. Комунікативна філософія: методологічні засновки, основні поняття та дослідницькі перспективи 25.5 KB
  Комунікативна філософія: методологічні засновки основні поняття та дослідницькі перспективи Робота Теорії комунікативної дії€ Ю. Філософ виводить поняття комунікативної дії. Ціллю даного типу соціальної дії є вільна згода діячів для досягнення спільних цілей в певній ситуації. Вона відрізняється тим що може включати в себе координацію зусиль учасників дії спрямовану лише на те щоб примусити інших сприяти досягненню своєї цілі комунікативна дія передбачає досягнення взаєморозуміння між учасниками дії відносно всіх критеріїв...
25215. Дискурсивна легітимація політичного ладу в політичній філософії 25.5 KB
  Дві перспективи для прояснення смислу та функцій дискурсивної етики: 1. показує актуальність і спроможність дискурсивної етики необхідність співвідповідальності всіх нас за наслідки нашої колективної діяльності. чи можуть відмінні одна від одної раціональні моралі права і політика бути обгруновані за допомогою дискурсивної етики. Автор намагається побудувати архітектоніку відношення дискурсивної етики права і політики.