化學(xué)計(jì)量學(xué)
[拼音]:huaxue jiliangxue
[外文]:chemical stoichiometry
由于化學(xué)反應(yīng)而引起反應(yīng)物系組成變化的計(jì)算方法,是對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行物料衡算和熱量衡算的依據(jù)之一。
化學(xué)計(jì)量方程
化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)方程。設(shè)反應(yīng)組分(反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物)A1,A2,…An間進(jìn)行一個(gè)化學(xué)反應(yīng),根據(jù)反應(yīng)前后反應(yīng)物系的質(zhì)量保持不變(核反應(yīng)除外),即反應(yīng)物消失的質(zhì)量恒等于反應(yīng)產(chǎn)物生成的質(zhì)量,其化學(xué)計(jì)量方程可以下列通式表示:
v1A1+v2A2+…+vnAn=0 (1)
或
(la)
式中vi為反應(yīng)組分Ai的化學(xué)計(jì)量系數(shù);Ai為反應(yīng)物時(shí),vi<0;Ai為反應(yīng)產(chǎn)物時(shí),vi>0;Ai若為惰性組分則vi=0。如將反應(yīng)物集中在左端,而反應(yīng)產(chǎn)物全部移至右端,(1)式即是通常的化學(xué)方程式?;瘜W(xué)計(jì)量方程僅表示反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)組分摩爾質(zhì)量變化的比例關(guān)系,而不反映反應(yīng)實(shí)際進(jìn)行的機(jī)理。
如在n個(gè)反應(yīng)組分間存在著m個(gè)相互獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng),則有如下的化學(xué)計(jì)量方程:
(2)
式中vij為第j個(gè)反應(yīng)中反應(yīng)組分Ai的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。
獨(dú)立反應(yīng)數(shù)
同時(shí)進(jìn)行的若干反應(yīng),如果其中任何一個(gè)反應(yīng)均不可能由其他反應(yīng)線性組合得到,此即為獨(dú)立反應(yīng)。反應(yīng)物系中存在多個(gè)反應(yīng)時(shí),首先需確定獨(dú)立反應(yīng)數(shù),它可根據(jù)化合物元素矩陣來(lái)確定。設(shè)反應(yīng)組分A1,A2…,An是由p個(gè)元素E1,E2…,Ep所組成,反應(yīng)組分Ai中含元素Ek的原子數(shù)為,則按反應(yīng)組分及組成元素可寫(xiě)出下列矩陣:
若上列矩陣的秩為R,則獨(dú)立反應(yīng)數(shù)m等于n–R。此法不適用于含有同分異構(gòu)化合物的物系。計(jì)算各反應(yīng)組分量的變化時(shí),只需計(jì)及獨(dú)立反應(yīng),毋需考慮非獨(dú)立反應(yīng)。
反應(yīng)進(jìn)程變量
表示反應(yīng)進(jìn)行程度的變量。若物系中只含一個(gè)反應(yīng),則用一個(gè)變量即可描述反應(yīng)進(jìn)行的程度;若為多個(gè)反應(yīng),則反應(yīng)進(jìn)程變量數(shù)目應(yīng)等于獨(dú)立反應(yīng)數(shù)。常用的反應(yīng)進(jìn)程變量有:
(1)反應(yīng)進(jìn)度。指反應(yīng)組分的變化量與其化學(xué)計(jì)量系數(shù)之比,是一個(gè)廣度變量,單位為mol。反應(yīng)進(jìn)度是對(duì)一個(gè)反應(yīng)而言的,若有m個(gè)獨(dú)立反應(yīng),相應(yīng)的有m個(gè)反應(yīng)進(jìn)度。根據(jù)反應(yīng)進(jìn)度可以計(jì)算任何反應(yīng)組分的變化量。
(2)轉(zhuǎn)化率。某一反應(yīng)物的反應(yīng)量與其初始量之比。轉(zhuǎn)化率為一強(qiáng)度因素,其值小于或等于 1。除非初始反應(yīng)物系中各反應(yīng)物的比例符合化學(xué)計(jì)量系數(shù)比,否則按不同反應(yīng)物計(jì)算的轉(zhuǎn)化率的數(shù)值是不同的。
(3)收率。為生成某一反應(yīng)產(chǎn)物所消耗某一反應(yīng)物的摩爾量與該反應(yīng)物的初始摩爾量之比。收率亦為強(qiáng)度因素,其值小于或等于1。若按重量來(lái)計(jì)算收率,稱為重量收率,當(dāng)產(chǎn)物的分子量大于反應(yīng)物的分子量時(shí),則其值可能大于 1。
(4)選擇率。為生成某一反應(yīng)產(chǎn)物所消耗某一反應(yīng)物的摩爾量與該反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的摩爾量之比。選擇率也是強(qiáng)度因素,其值小于或等于1。
根據(jù)轉(zhuǎn)化率、收率和選擇率的定義可知,收率等于轉(zhuǎn)化率與選擇率的乘積。
具有循環(huán)過(guò)程的反應(yīng)系統(tǒng),反應(yīng)器流出的物料分離出大部分產(chǎn)品后,又回到反應(yīng)器進(jìn)口處。所以,進(jìn)入反應(yīng)器的物料組成將不同于進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的原料組成,反應(yīng)器出口的物料組成也不同于離于反應(yīng)系統(tǒng)的物料組成。以反應(yīng)器進(jìn)出口為基準(zhǔn)計(jì)算的收率和轉(zhuǎn)化率,分別稱為單程收率和單程轉(zhuǎn)化率。如以進(jìn)出反應(yīng)系統(tǒng)的物料來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)化率和收率,則分別稱為全程轉(zhuǎn)化率和全程收率。
反應(yīng)進(jìn)度是根據(jù)反應(yīng)來(lái)定義,而轉(zhuǎn)化率、收率和選擇率則是按反應(yīng)組分來(lái)定義,因此兩類反應(yīng)進(jìn)程變量不應(yīng)混用。
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