Стехиометрические закономерности

Стехиометрические уравнения показывают, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие. Они имеют вид:

где: – исходные вещества; – продукты реакции;

… - стехиометрические коэффициенты.

Химические превращения могут быть описаны одним или несколькими стехиометрическими уравнениями. В случае, когда имеет место несколько стехиометрических уравнений, стехиометрический коэффициент i -го вещества, j -го уравнения, можно обозначить, как и систему уравнений можно представить в виде:

, где n – число реагентов, m – число уравнений, – для исходных реагентов, – для продуктов, – для i-го вещества, не входящего в j-ое уравнение.

Совокупность стехиометрических уравнений, однозначно и полно описывающих процесс, называют базисной системой стехиометрических уравнений. Так как со стехиометрическими уравнениями можно делать линейные преобразования (складывать уравнения, переносить члены справа налево и наоборот и т.д.), то возникают трудности при определении базисной системы уравнений, например: процесс получения водорода из природного газа можно записать двумя уравнениями:

но можно эти уравнения сложить и тогда:

Для расчета данного процесса не достаточно последнего уравнения, хотя оно и является суммой предыдущих. Таким образом, базисная система линейно-независимых стехиометрических уравнений, однозначно описывающих процесс, должна включать все участвующие в химическом превращение вещества и не должна включать ни одного уравнения, которое может быть получено линейными преобразованиями других.

В большинстве случаев необходимое число стехиометрических уравнений можно определить по формуле: У=В-Э, где У - число независимых уравнений, В - число веществ (реагентов), Э - число химических элементов из которых состоят реагенты. Так для конверсии метана В=5 ; Э=3 , откуда У=2. Базисная система включает два уравнения. Для отдельных обменных процессов формула имеет вид: У=В-Э+1.

Основные виды технологических расчетов, которые могут быть выполнены только на основе стехиометрических зависимостей:

1. расчет материальных (массовых) балансов процесса;

2. расчет многих технологических показателей (степень превращения, селективность, и пр.);

3. расчет скорости превращения различных веществ в данных условиях.

Знание стехиометрических уравнений позволяет установить: как соотносятся между собой степени превращения, рассчитанные по разным веществам. Так для реакции вида:

по определению:

; .

Если исходные вещества взяты в стехиометрическом соотношении, то степени превращения по всем исходным реагентам равны, т.е. . А если какое-то вещество взято в избытке (например, В) по сравнению со стехиометрическим количеством в n раз, то степень превращения будет в n раз меньше, чем степень превращения другого вещества: .

Стехиометрические закономерности позволяют получить более удобные для практического расчета выражения для выхода продукта и селективности. Для реакции вида: