Первый вопрос первой расчетной задачи посвящен анализу стехиометрических соотношений сложной реакции и формулируется следующим образом: Дана сложная реакция, известны начальные концентрации всех

Первый вопрос первой расчетной задачи посвящен анализу стехиометрических соотношений сложной реакции и формулируется следующим образом: Дана сложная реакция, известны начальные концентрации всех веществ (если в условии задачи не указана начальная концентрация, то она равна нулю). По мере протекания реакции концентрации меняются, и в какой-то момент времени измеряются концентрации некоторых веществ (не всех). Надо рассчитать концентрации остальных веществ для того же момента времени.

Понятно, что количества (или концентрации*) веществ связаны стехиометрическими соотношениями, что дает возможность рассчитать концентрации оставшихся веществ для того же момента времени. Вещества, концентрации которых известны, называются ключевыми, те, концентрацию которых надо найти – неключевыми. Число ключевых веществ должно быть равно числу стадий реакции. Рассмотрим решение этой задачи сначала на самом простом примере реакции . Представим, что в начальный момент времени начальные концентрации равны моль/л, . В какой-то текущий момент времени **, и нужно определить . Сразу напрашивается ответ, что . Этот ответ правильный, но даже для этой простейшей задачи получен он в несколько этапов. Во-первых, нужно было узнать, какое вещество является ключевым, так как именно с ключевого вещества надо начинать решение. Узнав, что ключевое вещество , перейдем ко второму этапу: узнаем, сколько этого вещества прореагировало, а именно 1 - 0.6 = 0.4. Но это еще не ответ. На третьем этапе узнаем, сколько из прореагировавшего первого вещества образовалось второго. По реакции видим, что из одного моля первого вещества образуется один моль второго, следовательно, из 0.4 молей образуется 0.4. Это тоже не окончательный ответ, надо учесть, что второго вещества не было в начале реакции, т.е. . Если чуть-чуть усложнить реакцию: ,оставив те же самые условия то отличие возникнет только на 3 этапе:

1. Ключевое вещество - .

2. Израсходовалось 1-0.6=0.4

3. Образовалось 0.4/2=0.2

4. 0+0.2=0.2

Для сложной реакции число этапов решения будет больше, но начинать надо всегда с выбора ключевого вещества, так как только для него можно определить, сколько этого вещества прореагировало (или образовалось), т.е. сделать первый шаг. Вторым шагом явится определение количеств других веществ, которые непосредственно связаны с расходованием или образованием этого ключевого вещества. Дальнейший путь решения будет связан со структурой реакции. Исчерпав возможности расчета по первому ключевому веществу, переходят ко второму и в результате находят решение.

Рассмотрим эту методику на примере сложной реакции:

Начальные концентрации: ,

Концентрации в текущий момент: .

Нужно найти .

Решение:

1. Ключевыми веществами являются .

2. Из ключевого вещества : а). всего этого вещества прореагировало 5-1=4.

Это все, что можно узнать на этом пути, так как пока неизвестно, сколько этого вещества израсходовалось по первой и второй стадиям, и нельзя перейти к стехиометрическим расчетам. Переходим к следующему ключевому веществу.

3. Из ключевого вещества : а). всего этого вещества образовалось 2-0=2.

Но эти два моля являются результатом того, что какое-то количество этого вещества образовалось по первой стадии и другое количество израсходовалось по третьей, так что этот путь здесь тоже обрывается.

4. Из ключевого вещества : а). всего этого вещества образовалось 2-0=2. Это вещество образуется только в третьей стадии, так что можно перейти к стехиометрическим расчетам: б). на образование этого вещества пошло 2 моля , в). одновременно с этим веществом образовалось 2 моля .

5. Из ключевого вещества : а). всего этого вещества образовалось 5-0=5. б). зная, что по третьей стадии этого веществ образовалось 2 моля (4в), узнаем, что по четвертой стадии его образовалось 5-2=3, в). четвертого вещества по четвертой стадии израсходовалось 3 моля, г). Вещества по четвертой стадии образовалось 2*3=6 молей. Так как это вещество образуется только по этой единственной стадии, это уже ответ на вопрос задачи: , д). шестого вещества по четвертой стадии образовалось 3 моля.

6. Из 4б узнали, что в третьей стадии израсходовалось 2 моля , осталось этого вещества 2 моля (по условию), значит, а). образовалось по первой стадии 2+2=4, б). в первой стадии израсходовалось 4 моля и 4/2=2 моля .

7. Всего израсходовалось 4 моля (2а), по первой стадии израсходовалось 2 моля (6б), значит, а). во второй стадии израсходовалось 4-2=2 моля , б) во второй стадии образовалось 2*2=4 моля , в). т.к. по четвертой стадии израсходовалось 3 моля (5в), а образовалось во второй стадии 4 моля (7б), осталось его 4-3=1 моль, это второй ответ .

8. Так как в первой стадии израсходовалось 2 моля (6б), а). второго вещества израсходовалось 2*2=4 моля, а вначале его было 6 молей (условие), так что .

Окончательно: .

Последовательность расчета может быть и другой, возможно окажется более удобно начать расчет с другого ключевого вещества, но в результате должны быть использованы все ключевые вещества.

Другие подходы к решению стехиометрических задач изложены в базовом учебнике, где тот же пример решен методом графов (стр.103), и в методическом пособии «Использование стандартных программных продуктов…», которое доступно через меню.

* Количество вещества заменяется на его концентрацию, что правомерно при постоянных значениях объема аппарата и объемного расхода потока.

** Далее не будем писать размерности концентраций, считая, что это всегда моль/л.

Дата добавления: 2015-11-04