Расчет по уравнению химической реакции

В химической реакции общего вида n_AА+n_BB Û n_RR+n_SS ±Q вещества реагируют в соответствии с соотношением стехиометрической эквивалентности:

, (1.29)

где N_i,0 – мольные количества веществ до начала химической реакции, N_i – текущие (конечные) количества, n_i - стехиометрические коэффициенты.

Количество всех у чтников и продуктов реакции (N_i,хр) рассчитывают по любому из веществ (N_А,0), количество которого известно:

N_i,хр = ×N_А,0 ×Х_А; (1.30)

m_i,хр = ×m_А,0 ×Х_А. (1.31)

Здесь m и M – массa и молярная масса веществ соответственно.

Расчет расходной части баланса

На выходе из реактора (расходная часть баланса) поток состоит из продуктов реакции, непрореагировавших исходных веществ (при Х_А<1), и веществ, не участвующих в химических превращениях (инертов). Количество каждого компонента в расходной части баланса рассчитывают по формуле:

n_i = n_i,0 - n_i,хр , (1.32)

где n_i,хр – количество вещества, израсходованного (для исходных) или образовавшегося (для продуктов) в результате реакции.

Сводная таблица материального баланса

Для реакции типа n_AА+n_BB Û n_RR+n_SS , протекающей в присутствии инерта I, результаты расчета материального баланса рекомендуется представлять в табличном виде (табл.1.3):

Таблица 1.3.

Сводная таблица материального баланса

В-во	Mi, кг/кмоль	ПРИХОД	Реакция	РАСХОД
ni,0, кмоль/ч	mi,0, кг/ч	ni	ni,х, кмоль/ч	ni, кмоль/ч	mi, кг/ч
А	МА	NA,0	mA,0	nA	NA,0×ХА	nA,0 - NА,хp	NA ×MA
B	М B	NB,0	mB,0	nB	NA,0×ХА	nА,0 - NА,хp	NB ×MB
R	МR	NR,0	mR,0	-nr	NA,0×ХА	nR,0 - NR,хp	NR ×MR
S	МS	NS,0	mS,0	-ns	NA,0×ХА	nS,0 - NS,хp	NS ×MS
И	МИ	NИ,0	MИ,0	-	-	nИ=NИ,0	nИ ×MИ
ВСЕГО	S ni,0	Smi,0			S ni	S mi

При необходимости состав равновесной смеси можно представить в мольных либо массовых долях:

(1.33)

, (1.34)

где "-" относится к исходным реагентам,"+"- к продуктам, n - стехиометрические коэффициенты; Dn=n_R+n_S-(n_A+n_B); D(n_iM_i)=n_RM_R+n_SM_S-n_AM_A-n_BM_B.

Примеры решения задач

Простейшие упражнения

Пример 1

Сколько граммов соли и воды содержится в 800 г 12% раствора NaNO₃?

Решение

Масса растворенной соли составляет 12% от массы раствора

800×12/100= 96 г,

а масса растворителя – 88% от массы раствора: 800×88/100 = 704 г.

Пример 2

Сколько граммов HCl следует растворить в 250 мл г воды для получения 10% раствора HCl?

Решение

250 граммов воды составляют 90% массы раствора, а масса HCl – 10% массы раствора или 250×10/90=27,7 г.

Пример 3

Сколько граммов 10% раствора H₂SO₄ потребуется для взаимодействия с 100 мл 13,7% раствора Na₂CO₃ плотностью 1,145 г/см³.

Решение

Масса 100 мл раствора составляет 100×1,145 = 114,5 г. В нем содержится 114,5×0,137 = 15,68 г Na₂CO_3. Определив молярные массы Na₂CO₃ и H₂SO_4, из уравнения реакции Na₂CO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+CO₂+H₂O по пропорции находим необходимое количество серной кислоты 15,68×98,06/106 = 14,5 г, а 10%-ного раствора H₂SO₄ потребуется:14,5×100/10 = 145 г.

Пример 4

Сколько мл 32,5% раствора NH₃ плотностью 0,888 г/см³требуется для образования сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ c 250 мл 27,3% раствора H₂SO₄ плотностью 1,2 г/см³?

Решение

Масса раствора кислоты составляет 250×1.2 = 300 г.

Раствор содержит 300×0,273 = 81,9 г H₂SO_4.

По уравнению реакции 2NН₃ + H₂SO₄ = (NН₄)₂SO₄ вычисляем массу аммиака, пошедшего на реакцию:34,06×81,9/98,08 г.

Этому количеству аммиака соответствуют

34,06×81,9×100/98,08×32,5 г или 34,06×81,9×100/98,08×32,5×0,888 = 98,6 мл.

Пример 5

Сколько граммов Na₂CO₃ прореагирует со 100 мл 4N раствора HCl?

Решение

Вычислим массу HCl в 100 мл 4N раствора:

1000 мл 4N раствора содержат 36,46×4 г HCl

100 мл 4N раствора - х г

х = 36,46×4×0,1 г.

По уравнению реакции Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂ находим:

106 2×36,46

106 г Na₂CO₃ - 2×36,46 г HCl

у г Na₂CO₃ - 0,4×36,46 г HCl

у = 21,2 г.

Пример 6

Вычислить парциальное давление 570 мл газа, собранного над водой при температуре 20⁰С и давлении 104,1 кПа.

Решение

Полное давление складывается из двух величин: парциального давления самого газа и давления насыщенного водяного пара (см. табл.1.2) Следовательно, парциальное давление газа в данном случае равно 104,1 – 2,34=101,76 кПа. Приводя измененный объем газа к нормальным условиям, следует подставить в уравнение не общее давление газовой смеси (104,1 кПа), а парциальное давление газа (101,76 кПа):

мл.

Если не учесть поправку на давление паров воды, то вместо найденного объема получим

мл.

Ошибка составляет 13 мл, т.е. около 2,5%, что можно допустить только при ориентировочных расчетах.