Химическая кинетика

1.1. Стехиометрия и материальный баланс в химических реакциях

Все химические вещества реагируют друг с другом и, соответственно, образуются в реакциях в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Такие соотношения называются стехиометрическими. Естественно, масса образовавшихся продуктов равна массе прореагировавших веществ, но их число молей может не совпадать. Пусть, например, мы имеем реакцию, в которой исходными реагентами являются А и Y, а продуктами B и Z. Если никаких других веществ в реакционной массе нет или их вкладом в материальный баланс можно пренебречь, то, записав ее в виде простой (одностадийной) реакции _АА + _YY  _BB +_ZZ, имеем следующие соотношения:

где n_A, n_Y, n_B, n_Z  текущие количества компонентов реакционной смеси; _A, _Y, _B, _Z  их стехиометрические коэффициенты; n_A,0, n_Y,0, n_B,0, n_Z,0  начальные количества молей компонентов реакции;   количество грамм-эквивалентов веществ-участников реакции.

Величину  называют химической переменной или глубиной (полнотой) протекания реакции (стадии).
Очевидно, что образуется столько грамм-эквивалентов каждого продукта, сколько израсходовалось грамм-эквивалентов каждого из исходных веществ.
В настоящее время эти соотношения принято записывать так:

Величина  является инвариантой реакции (стадии), т.е. общей для исходных веществ и продуктов независимо от их стехиометрических коэффициентов. Следовательно, химическая переменная – характеристика именно реакции, а не участвующих в ней веществ. В то же время, если  определена, то, зная начальные условия ( количества молей участников стадии), можно легко рассчитать текущие количества молей этих участников.

Если реакция протекает без изменения объема V, то уравнения стехиометрического баланса можно записать так:

или

где с_A, с_Y, с_B, с_Z  текущие концентрации веществ A, Y, B, Z; с_A,0, с_Y,0, с_B,0, с_Z,0  начальные концентрации этих веществ;   удельная химическая переменная.
Размерность всех указанных величин – моль/л.
Если любого из участников одностадийной реакции обозначить через j, то справедливо равенство:

n_j=n_j,0+_j и, если V=const, то с_j=с_j,0+_j.

Здесь _j берется со знаком «», если вещество расходуется (реагент), и со знаком «+», если оно образуется (продукт).

Мольное отношение образующихся или расходующихся веществ в простых реакциях постоянно и равно соотношению стехиометрических коэффициентов этих веществ в уравнении реакции:

Зная изменение концентраций всех участников простой реакции, можно легко установить их стехиометрические коэффициенты.

Пример 1

.
При проведении простой реакции _AA + _YY  _BB + _ZZ в реакторе периодического действия при постоянном объеме установлены концентрации (моль/л) всех компонентов в разные моменты времени (табл. 1). Найти стехиометрические коэффициенты _j.

Таблица 1