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

0 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

15247. Построение и исследование моделей внешних воздействий 299 KB
  Лабораторная работа №3 Построение и исследование моделей внешних воздействий. Исследование командного генератора гармонического сигнала. схема моделирования командного генератора результаты моделировани...
15248. Схемотехника диодно-транзисторной логики (ДТЛ), резистивно-транзисторной логики (РТЛ) и транзисторно- транзисторной логики. Мультивибраторы. Исследование работы ЦАП и АЦП 897.39 KB
  Лабораторный практикум № 3 по курсу Электротехника и электроника часть 2 на тему Схемотехника диоднотранзисторной логики ДТЛ резистивнотранзисторной логики РТЛ и транзисторно транзисторной логики. Мультивибраторы. Исследование работы ЦАП и АЦП. В...
15249. Исследование ДТЛ, РТЛ и ТТЛ. Работа с АЦП и ЦАП 1.07 MB
  Лабораторный практикум № 3 по курсу Электротехника и электроника часть 2 на тему Исследование ДТЛ РТЛ и ТТЛ. Работа с АЦП и ЦАП Вариант № 6 Данный отчет посвящен выполнению лабораторного практикума с использованием программных средств Micro-Cap 9 и MathCAD 15.
15250. Исследование П-регулятора 308.5 KB
  Исследование Прегулятора Собрать в MatLab Simulink систему управления с П – регулятором для 4х вариантов объекта управления см. табл.. Сформулировать требования к желаемому переходному процессу в системе. Определить значения коэффициентов Прегулятора путем ин
15251. Типовые динамические звенья 694.88 KB
  Лабораторная работа №4 Типовые динамические звенья Вариант 1 1. Апериодическое звено 1ого порядка. Передаточная функция: Параметры передаточной функции: Рис. 1.1 – схема моделирования Рис. 1.2 – результаты моделирования 2. Апериодическое зв
15252. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ КОММИВОЯЖЁРА 96.5 KB
  ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ КОММИВОЯЖЁРА Студент гр. В наши дни всё чаще даёт о себе знать проблема низкой производительности каких-либо расчётов. Вот и транспортная задача не стала ис...
15253. Анализ системы статистических данных 41.5 KB
  Лабораторная работа 4 Анализ системы статистических данных Цель работы Изучение информационных ресурсов сайта Федеральной службы государственной статистики. Учебное задание На сайте www.gks.ru в разделе Официальная статистическая информация найдите группу показ
15254. СВОБОДНОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 414 KB
  Лабораторная работа №5 СВОБОДНОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ Цель работы. Исследование динамических свойств линейных систем второго порядка. Рассмотрим систему второго порядка Переменные состояния рассматриваемой системы могут быть определ...
15255. Информационная деятельность менеджера в Интернете 646 KB
  Меняев М.Ф. Информационные ресурсы в менеджменте Часть 2: Информационная деятельность менеджера в Интернете Методические указания Общие сведения о глобальной сети Интернет. Internet предоставляет доступ к набору информационных служб сервисов основными среди кот