Stechiometria

Stechiometrii (z GR. Στοιχεῖον stoicheion „materiału podstawowego” i μέτρον Metron „środek”) jest podstawowym matematyczny pomoc w chemii . Z ich pomocą na podstawie jakościowej wiedzy o reagentach i produktach reakcji obliczane są rzeczywiste proporcje ( równanie reakcji ) i ilości substancji. W chemicznym języku potocznym stechiometria nie opisuje (w większości trywialnych ) obliczeń, ale ich wynik.

W praktyce reakcje w laboratorium są często przeprowadzane „niestechiometrycznie”: co najmniej jeden reagent jest używany w nadmiarze i dlatego nie jest całkowicie przekształcany. W reakcjach równowagowych może to przesunąć równowagę na bok produktów, co jest szczególnie ważne, gdy jeden z reagentów jest znacznie droższy niż inne.

Podstawy

Podstawy obliczeniowe współczesnej stechiometrii opierają się (również historycznie) na następujących prawach:

• Prawo stałych proporcji
• Prawo wielu proporcji
• Ochrona prawa masowego

Dlatego prawa stechiometrii wywodzą się z wiedzy o budowie materii z atomów i cząsteczek .

Warunki

Równowaga stechiometryczna

Do obliczeń stechiometrycznych są o obliczenia ilości substancji wyjściowej (S) (reagentów), które mogą być stosowane w reakcji chemicznej. Obliczenie można odwrócić, aby znając ilość reagentów można określić ilość produktu (-ów).

Aby móc zrównoważyć każdą reakcję, stosuje się bardziej ogólny zapis symboli . Na przykład dla prostej reakcji chemicznej jest to:

${\ Displaystyle \ lewo | \ nu _ {1} \ prawo | A_ {1} + \ lewo | \ nu _ {2} \ prawo | A_ {2} = \ lewo | \ nu _ {3} \ prawo | A_ {3} + \ left | \ nu _ {4} \ right | A_ {4}}$

gdzie stosunki stechiometryczne (zwane również współczynnikami stechiometrycznymi ) są, dla których niemiecka norma DIN 32642 „Symboliczny opis reakcji chemicznych” zaleca również oznaczenie „liczbą stechiometryczną”. ${\ displaystyle \ nu _ {i}}$

Ponieważ dla reakcji można ustawić różne równania reakcji

${\ Displaystyle \ mathrm {\ CO + {\ tfrac {1} {2}} \ O_ {2} \ longrightarrow \ CO_ {2}}}$   lub   ,${\ Displaystyle \ mathrm {\ 2 \ CO + \ O_ {2} \ longrightarrow \ 2 \ CO_ {2}}}$

stosunki stechiometryczne należy określić przed wyważeniem. Obowiązują następujące zasady:

• Równanie reakcji z najmniejszymi liczbami całkowitymi jako stosunkami jest zawsze wybierane jako odniesienie.
• Reagenty zawsze mają ujemny stosunek stechiometryczny.
• Produkty zawsze mają dodatni stosunek stechiometryczny.
• Substancje towarzyszące, które same nie biorą udziału w reakcji (np. Katalizatory), mają przypisany stosunek stechiometryczny 0.

Podczas reakcji proporcje [a dokładniej ułamek molowy ( ułamki molowe )] reagentów zmieniają się w stopniu, w jakim narzucają to stosunki stechiometryczne. Równowaga stechiometryczna dla reagentów i i k jest następująca:

${\ Displaystyle {n_ {i, 0} -n_ {i} \ ponad - \ nu _ {i}} = {n_ {k, 0} -n_ {k} \ ponad - \ nu _ {k}}}$

Proste przekształcanie daje nieciągły proces zwany operacją nagrywania

${\ Displaystyle {n_ {i, 0} -n_ {i} \ ponad n_ {k, 0} -n_ {k}} = {\ nu _ {i} \ ponad \ nu _ {k}}}$

i odpowiednio dla procesu ciągłego, zwanego operacją przepływu

${\ Displaystyle {{\ kropka {n}} _ {ja, 0} - {\ kropka {n}} _ {i} \ ponad {\ kropka {n}} _ {k, 0} - {\ kropka {n }} _ {k}} = {\ nu _ {i} \ ponad \ nu _ {k}}}$

Z: ${\ displaystyle {\ kropka {n}} = {dn \ ponad dt}}$

Obrót (X _i )

Konwersja X _i to termin używany w inżynierii reakcji chemicznych , który wskazuje, jaka część pierwotnego surowca, którego użyłem, została przekształcona w inne substancje chemiczne w wyniku reakcji chemicznej, gdy opuścił reaktor . Wyrażone nieco bardziej matematycznie: Konwersja (stopień) X _i to proporcja przeliczonej ilości składnika i na podstawie jego pierwotnie użytej ilości n _{i, 0} , gdzie n _{i to} pozostała ilość składnika i, która jest wtedy nadal obecna:

${\ Displaystyle X _ {\ mathrm {i}} = {n _ {\ mathrm {ja, 0}} -n _ {\ mathrm {i}} \ ponad n _ {\ mathrm {i, 0}}} = 1- {n_ {\ mathrm {i}} \ over n _ {\ mathrm {i, 0}}}}$

Jeśli w grę wchodzi kilka surowców, stopień konwersji jest oparty na konwencji, która jest substancją ograniczającą lub wykazuje deficyt.

Zysk (Y _P )

Wydajność Y _P to termin używany w inżynierii reakcji chemicznych, który wskazuje ilość produktu P w oparciu o kluczowy składnik (k), tj. Substancję, która jest obecna w mniejszej ilości niż odpowiadałaby stechiometrii reakcji.

Poniższe zasady dotyczą nieciągłej operacji rekordu:

${\ Displaystyle Y_ {P} = {n_ {P} -n_ {P, 0} \ ponad n_ {k, 0}} \ cdot {\ lewo | v_ {k} \ prawo | \ over v_ {P}}}$

W przypadku pracy ciągłej lub przepływu obowiązują następujące zasady:

${\ Displaystyle Y_ {P} = {{\ kropka {n}} _ {P} - {\ kropka {n}} _ {P, 0} \ ponad {\ kropka {n}} _ {k, 0}} \ cdot {\ left | v_ {k} \ right | \ over v_ {P}}}$

Selektywność (S _P )

Selektywność S _P chemicznej konwersji lub reaktora jest terminem stosowanym w dziedzinie inżynierii reakcji chemicznych, który wskazuje, która część całkowitej substratu przekształca przekształcono do pożądanego docelowego produktu , biorąc pod uwagę stechiometrię . Z reguły nie wszystkie cząsteczki materiału wyjściowego są przekształcane w pożądany produkt, ponieważ inne produkty mogą również powstawać w następnych lub konkurencyjnych reakcjach:

${\ Displaystyle S_ {p} = {\ mathrm {utworzone \; kwota} \, (k) \ ponad \ mathrm {przekonwertowane \; kwota} \, (i)} = {(n_ {p} -n_ {p, 0}) \ cdot \ left | v_ {k} \ right | \ over (n_ {k, 0} -n_ {k}) \ cdot v_ {p}} = {Y_ {p} \ ponad X_ {i}}}$

Konwersja, wydajność i selektywność

Jeśli połączysz ze sobą definicje konwersji, uzysku i selektywności, uzyskasz prostą zależność między trzema zmiennymi:

${\ Displaystyle Y_ {P} = X_ {i} \ cdot S_ {P}}$

Oznacza to, że jeśli istnieje tylko jedna możliwa reakcja (S = 1), wydajność Y jest automatycznie równa konwersji X.

Zobacz też

• Macierz stechiometryczna

literatura

• Werner Kullbach: Obliczenia ilościowe w chemii . Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN 3-527-25869-8 .
• Eberhard Aust, Burkhard Bittner: Stoichiometry - Chemisches Rechnen , CICERO-Verlag, Pegnitz, wydanie 4, 2011, ISBN 978-3-926292-47-6 .
• Uwe Hillebrand: Stechiometria , wprowadzenie do podstaw z przykładami i ćwiczeniami, wydanie 2, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009, ISBN 978-3-642-00459-9 .
• Wejście do stechiometrii . W: IUPAC Compendium of Chemical Terminology („Złota Księga”) . doi : 10.1351 / goldbook.S06026 .

linki internetowe

• Kalkulator stechiometryczny