Количественные законы химии
В химических реакциях одно или несколько веществ изменяют свой состав, давая новые вещества. Вещества, подвергающиеся превращению, называются реагентами, а вновь образующиеся вещества – продуктами. Тогда любая химическая реакция может быть записана:
Реагенты → Продукты
В основе всех количественных химических расчетов лежат несколько основных законов химии.
1. Закон сохранения массы (материи) (Ломоносов-Лавуазье, 1756; 1785 гг).
Современная формулировка этого закона такова: «Масса реагентов равна массе продуктов реакции». Общая масса участников реакции остается неизменной.
Масса вещества в системе СИ измеряется в килограммах, в химической практике – в мг, г, в химической технологии – в тоннах (т).
2. Закон постоянства состава (Пруст)
«Химический состав вещества не зависит от способа его получения. Каким бы способом не было получено вещество, его качественный и количественный состав постоянен».
3. Закон кратных отношений (Дальтон)
«Если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу атомов другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа»
Эти законы послужили основой для развития химии как количественной науки. В химических лабораториях, в химической промышленности обычно имеют дело с макроколичествами веществ, каждое из которых состоит из множества простых химических частиц (атомов, ионов, молекул).
Количественную связь между макро и микрообластью химии устанавливает понятие «количество вещества» - это физико-химическая величина, характеризующая макропорцию вещества. Единица количества вещества – моль.
Моль – это количество вещества, содержащее столько же структурных единиц, сколько их содержится в 12 г изотопа С12 .
Структурная единица – это атом, молекула, ион, электрон и т.д.
В 1 моле любого вещества содержится 6,02·1023 структурных единиц, например, 1 моль алюминия содержит 6,02·1023 атомов алюминия и в 1 моле серной кислоты содержится 6,02·1023 молекул H2SO4.
Молярная масса вещества – это отношение массы некоторой порции вещества к количеству вещества в этой порции:
, где
М – молярная масса вещества, г/моль;
m – масса вещества, г;
n – количество вещества, моль.
Численно молярная масса простого одноатомного вещества совпадает с относительной атомной массой элемента, а для соединения – с его относительной молекулярной массой.
Например,
| Наименование вещества | Атомная масса | Молярная масса |
| 1 моль Al | 27.00 | 27 г/моль |
| 1 моль H2SO4 | 98.00 | 98 г/моль |
В технических расчетах применяют укрупненные единицы измерения массы – это килограмм (кг), тонна (т); объема – кубический метр (м3). Количество вещества можно выразить в киломолях (кмоль), соответственно, молярная масса в кг/кмоль.
Состав гомогенной газовой смеси выражают в объемных процентах (об.%), а так же в мольных долях каждого компонента данной смеси. Мольная доля компонента А в смеси газов, состоящей из компонентов А и В определяется выражением XA = nA/nA+nB ,:
,
где nA – число молей компонента А, nB – число молей компонента В, ХА – мольная доля компонентов А.
Для промышленных процессов очень важен выход реакции.
Масса продуктов, образующихся в ходе реакции, называется выходом.
Теоретический выход – выход продукта, вычисленный на основе уравнения реакции.
Фактический выход – действительный выход, полученный в эксперименте или в промышленном процессе.
Когда фактический выход равен теоретическому, говорят, что реакция имеет количественный выход. Реакцию, протекающую с количественным выходом, называют стехиометрическим процессов. К таким реакциям относятся многие ионные процессы (реакции нейтрализации, осаждения). Однако чаще всего реакции, особенно органические не имеют количественного выхода. Их принято характеризовать относительным выходом.
Относительный выход = Фактический выход/Теоретический выход * 100%
Относительный выход служит мерой эффективности реакции. Так, реакции, протекающие с количественным выходом имеют 100%-ную эффективность.
Для повышения относительного выхода обычно используют избыточное количество одного или нескольких реагентов. В этом случае теоретический выход вычисляют по количеству того реагента, который не используется в избытке. Такой реагент называют лимитирующим.
Пример: бромбензол можно получить по реакции бензола с избыточным количеством брома в присутствии FeCl3. В одном из экспериментов 23,0 г бромбензола было получено из 20,0 г бензола. Вычислим относительный выход этой реакции.
Решение:
C6H6 + Br2 → C6H5Br + HBR
mбензола = 20 г
MC6H6 = 78 г/моль, тогда
MC6H6 = m/M = 20/78 = 0,256 моль
при 100%-ной эффективности реакции из 1 моля C6H6 должно получиться 1 моль C6H5Br.
Значит, теоретический выход 0,256 моля C6H5Br т.к. M(C6H5Br) = 157 г моль, тогда
теоретический выход = (0,256 моль) * 157 = 40,2 г
Относительный выход = 23,0/40,2 * 100% = 57,2 %
Отправной пункт при рассмотрении эффективности любого химического процесса – его стехиометрия. Теоретически суммарная масса продуктов химического процесса должна быть равна суммарной массе реагентов, используемых в процессе, однако на практике это далеко не так. Указанное требование известно как баланс масс или материальный баланс. Оно вытекает непосредственно из закона сохранения материи.
На практике в любом процессе приходится использовать один или несколько реагентов в избыточном количестве, кроме того могут образовываться побочные продукты. Поэтому в промышленности термин «баланс масс» означает равенство количества реагентов суммарной массе всех образовавшихся целевых и побочных продуктов, а также неиспользованных реагентов и растворителей в конце процесса.
Следует различать теоретический баланс масс и фактический баланс масс.
Теоретический баланс масс включает предсказываемый выход целевого продукта, он основан на вычислениях или экспериментальных данных, полученных в лабораториях. Во многих процессах фактический баланс масс отличается от теоретического из-за неизбежных (или преодолимых) потерь материалов.
В промышленности вместо понятия «реагент» используют термин «сырье», «исходные материалы». Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимального выхода продукта. Оптимальный выход не обязательно должен совпадать с теоретическим выходом, т.к. достижение последнего может, например, потребовать значительного расхода дорогостоящего компонента или же слишком длительного проведения процесс, что приводит к снижению экономической эффективности производства. Во многих технологических процессах оптимальный выход целевого продукта соответствует использованию лишь некоторой части исходных материалов.
Фактический выход каждого конкретного процесса может зависеть от целевого ряда факторов: температуры, давления, скорость перемешивания, наличие катализаторов, частота сырья, эффективность процедур извлечения продуктов.