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

45059. Документація з кадрово-контрактних питань 77 KB
  Документація з кадровоконтрактних питань ПЛАН Заява. ЗАЯВА Заява це вид документів з кадрово-контрактних питань. Заява це офіційне повідомлення в усній доповідь або письмовій документ формі в якому викладається певне прохання рідше пропозиція окремої особи чи організації. Розрізняють два основних види заяв: особиста заява яка містить прохання звертання до керівної посадової особи складається власноручно в одному примірнику; службова заява що укладається посадовою особою від власного імені або від організації...
45060. Автобіографія. Документація з кадрово-контрактних питань 124.5 KB
  Після закінчення 1987 р. Після закінчення у 1993 р. Після закінчення коледжу у 1996 р. дотепер викладач екологічної безпеки Харківського реґіонального інституту післядипломної освіти вчителів.
45061. Довідково-інформаційні документи. Довідка, клопотання, службові записки, звіт. Складні слова в діловій українській мові 135.5 KB
  Утворення і правопис складних слів Складні слова можуть утворюватись за допомогою сполучних звуків і без них. УВАГА З цими словами не слід змішувати складних слів перша частина яких є вищий ступінь прислівника на Е: вищезгаданий нижчепідписаний. При цьому перша основа може закінчуватись: 1 на голосний звук: всюдихід кількаразовий радіокомітет; у словах із числівниками одно дво три чотири: одноденний двозначний триніжок чотирикутник; також у словах із...
45062. Державна мова – мова професійного спілкування 144.5 KB
  Поняття національної та літературної мови. Головні ознаки літературної мови. Отже основною метою нормативної дисципліни âУкраїнська мова професійного спілкуванняâ є усвідомлення системи української мови і розкриття особливостей її функціонування передусім у межах ділового і наукового стилів професійного спілкування. При цьому специфіка курсу полягатиме у тому що він спиратиметься на розмежування культурного і політичного аспектів життя мови.
45063. Поняття про функціональні стилі мови. Стилі сучасної української літературної мови у професійному спілкуванні 227.5 KB
  Стилі сучасної української літературної мови у професійному спілкуванні План Поняття про функціональні стилі мови. Стилістична диференціація сучасної української мови. Функціональні стилі української мови та сфера їх застосування. Специфіка мови професійного спілкування.
45064. Професійна сфера як інтеграція офіційно-ділового, наукового і розмовного стилів 144 KB
  Поняття професійна мова охоплює три функціональні різновиди літературної мови НАУКОВИЙ та ОФІЦІЙНОДІЛОВИЙ стилі. Дослідження історії їх становлення характеру лексичних та граматичних структурних компонентів жанрового багатства специфіки усної та писемної форм вираження основна мета курсу української мови професійного спілкування. Науковий стиль сучасної української літературної мови почав розвиватися з середини ХІХ ст. не беручи до уваги старої української мови основні традиції якої в науковому стилі втратилися в середині ХVІІІ...
45065. Українська термінологія в професійному спілкуванні, Загальнонаукова, міжгалузева і вузькоспеціальна термінологія 81 KB
  Термінологія - розділ мовознавства що вивчає терміни у цьому значенні все частіше використовують поняття термінознавство як наука що вивчає українську термінологію; 2 сукупність термінів певної мови або однієї певної галузі знання чи з усіх галузей знання. Системність термінології зумовлена двома типами звязків які надають сукупності термінів системного характеру: логічним коли між поняттями певної галузі науки існують системні звязки а вони є в кожній науці терміни що називають ці поняття мають бути системно повязаними;...
45066. Основи культури української мови 256.5 KB
  Словники у професійному мовленні. Типи словників. Роль словників у підвищенні культури мови. Таким чином точність мовлення великою мірою залежить від глибини знань інтелектуального рівня мовця та ерудиції особистості володіння логікою думки законами її мовного вираження а також від багатства активного словникового запасу мовця.
45067. Острые и транзиторные психотические расстройства (F23) 32 KB
  В этом смысле к данной группе относятся острые и отчасти затяжные реактивные психозы. Острый психоз продолжается от одной до двух недель. Психозы этой группы часто связаны со стрессом поэтому при диагностике указывают ассоциирован психоз со стрессом или нет. Острые транзиторные психозы ассоциированные со стрессом обозначались ранее как реактивные.