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

23396. ПОВЕРКА АВТОМАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО МОСТА 280.87 KB
  Показания Сопротивление Показания образцового Абсолютная погрешность Абсолютная прибора по градуировоч прибора Ом моста Ом вариация оС ной таблице Ом Прямой R1 Обратный R2 Прямой 1 Обратный 2 V Ом 0 46 4561 4556 039 044 005 40 5316 5278 5277 038 039 001 80 60463 5996 5995 0503 0513 001 120 6752 6697 6695 055 057 002 160 7452 7383 7395 069 057 012 200 8143 8075 808 068 063 05 1= Rt– Rt1 ...
23397. Моделювання систем в середовищі MATLAB + Simulink +Stateflow 540.5 KB
  НАВЧАЛЬНОМАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ наочні посібники схеми таблиці ТЗН та інше Діапроектор дидактичні слайди НАВЧАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ Вступ Моделювання систем в середовищі MATLAB Simulink Stateflow Одной из перспективных концепций в явном или неявном виде реализуемой в настоящее время для решения задач анализа и разработки сложных систем является концепция создания универсальной моделирующей среды. Система моделирования реализующая эту концепцию должна отвечать следующим требованиям: четко выделенная модульность структуры;...
23398. Уніфікована мова моделювання UML 125 KB
  підпис прізвище €œ ____ €œ _____________ 2011 року ЛАБОРАТОРНЕ ЗАНЯТТЯ № 8 з навчальної дисципліни __моделювання комп’ютерних мереж напряму підготовки _______інформаційні технології________ освітньокваліфікаційного рівня ____cпеціаліст_____________ спеціальності _____ ком’пютерні системи та мережі_________ Тема Уніфікована мова моделювання UML повна назва лекції Лабораторне заняття №8 розроблено стар. ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТТЯ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ Вступ...
23399. Методи штучного інтелекту 326 KB
  підпис прізвище €œ ____ €œ _____________ 2011 року ЛАБОРАТОРНЕ ЗАНЯТТЯ № 9 з навчальної дисципліни __моделювання комп’ютерних мереж напряму підготовки _______інформаційні технології________ освітньокваліфікаційного рівня ____cпеціаліст_____________ спеціальності _____ ком’пютерні системи та мережі_________ Тема Методи штучного інтелекту повна назва лекції Лабораторне заняття №8 розроблено стар. вчена ступінь та звання прізвище та ініціали автора Обговорено на засіданні...
23400. Етапи моделювання систем 80 KB
  То же самое можно сказать и о моделировании. Конечный этап моделирования принятие решения на основании знаний об объекте. Цепочка выглядит следующим образом: Прототип объект процесс Моделирование Принятие решения Моделирование творческий процесс. Содержание этапов определяется поставленной задачей и целями моделирования.
23401. Системи і проблеми 267 KB
  Системы и проблемы. Методы системного анализа Понятие системы тесно связано с понятием проблемы. Любую проблему можно представить как отражение процесса функционирования реальной физической системы естественного или искусственного происхождения в которой при контролируемом входном воздействии создаваемая выходная реакция отличается от требуемой реакции. Первый из них связан с более глубоким познанием действующей системы и направлен на ее развитие эволюцию прежде всего в плане коррекции совершенствования общего процесса ее...
23402. Імітаційне моделювання 78 KB
  Етапи процесу побудови математичної моделі складної системи Формулируются основные вопросы о поведении системы ответы на которые мы хотим получить с помощью модели. Из множества законов управляющих поведением системы выбираются те влияние которых существенно при поиске ответов на поставленные вопросы. В пополнение к этим законам если необходимо для системы в целом или отдельных ее частей формулируются определенные гипотезы о функционировании. Трудности при построении математической модели сложной системы: Если модель содержит много...
23403. Імітаційне моделювання систем масового обслуговування 162.5 KB
  вчена ступінь та звання прізвище та ініціали автора Обговорено на засіданні кафедри ПМК Протокол № __________ €œ ____ €œ _____________ 2011 року Київ Навчальні цілі: Вивчення основних понять моделювання ознайомлення з поняттями системи та моделі співвідношенням між моделлю та системою класифікацією моделей видами моделей технологію моделювання; Виховні цілі: Формування у студентів інженернотехнічного кругозору методами імітаційного моделювання для побудови комп’ютерних систем та мереж вміння ставити та вирішувати складні...
23404. Етапи розробки комп’ютерної імітаційної моделі системи 162 KB
  НАВЧАЛЬНОМАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ наочні посібники схеми таблиці ТЗН та інше Діапроектор дидактичні слайди НАВЧАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ Етапи розробки імітаційної моделі системи Независимо от способа исходного описания исследуемой системы и внешней среды следует выделить следующие этапы создания ИМ в обобщенном виде представленные на рис. Составление содержательного описания объекта моделирования включая: определение объекта имитации как системы; определение целей моделирования; установление перечня количественных показателей эффективности...