Химическое равновесие. Концентрация реагентов. Энергетические ресурсы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. В химической реакции участвуют два реагента А и В. Причем на каждый моль реагента А взято по 2 моль реагента В. В каком случае будет справедливо утверждение, что степень превращения х_А реагента А больше степени превращения х_в реагента В

Степень превращения - это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

Степень превращения реагента J

где n_J, 0 - количество реагента J в исходной реакционной смеси;

п_J, f - количество реагента J в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе;

?n_J - изменение количества реагента J в ходе химической реакции.

Чаще всего в химической реакции участвует не один, а два реагента (или даже больше). Степень превращения может быть рассчитана по первому, второму или третьему реагенту, причем в общем случае не обязательно получаются равные результаты. Если протекает реакция (I), то в соответствии с ее стехиометрическим уравнением изменения количеств ее участников ?n_J связаны между собой следующими соотношениями:

(1.3)

Степени превращения реагентов А и В, участвующих в реакции (I):

(1.4)

Из уравнений (1.3) и (1.4) следует

,

Или

(1.5)

Уравнение (1.5) устанавливает связь между степенями превращения реагентов А и В и позволяет рассчитать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого.

Если т.е. реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом соотношении (количество реагентов А и В соотносится между собой как соответствующие этим веществам стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции), то степени превращения х_А и х_В равны между собой: х_А = х_В.

Если т.е. реагент А взят в избытке, то, как следует из уравнения (1.5), х_А<х_В.

Если же (1.6)

т.е. взят в избытке реагент В, то х_А>х_В.

Необходимо помнить, что степень превращения - это доля первоначального количества реагента, т.е. пределы изменения х определяются соотношением 0 ? х ? 1

Следовательно, если один из реагентов (например, реагент В) взят в избытке, то с учетом выражений (1.5) и (1.6) всегда х_В<1, даже в том случае, когда х_А= 1.Обычно при выборе первоначального состава реакционной смеси берут в избытке более дешевый реагент (например, воздух, воду и т. д.) с целью повышения степени использования более ценного сырья.

2. Рассчитайте константу равновесия для реакции

СО2 + С = 2СО

Если известно, что для СО2 ДG₂₉₈⁰ = - 394572 Дж/моль и для СО ДG₂₉₈⁰ = - 137334 Дж/моль. Рассчитаем

ДG₂₉₈⁰ = 2ДGСО - ДGСО₂ = 2*(137,334) -(-394,572) = 119,904

кДж/моль

LgKp= ДG/-2,3RT = 119,904/-2,3*8,31*298= -0,0210

Кравн = 0,955

3. Вещества А и В участвуют в двух параллельных реакциях, причем частный порядок по реагенту А выше в целевой реакции, а частный порядок по реагенту В выше в побочной реакции. Какие можно сделать рекомендации по изменению концентраций реагентов для обеспечения высокой дифференциальной эффективности? Как можно эти рекомендации выполнить при технологическом оформлении процесса?

Для анализа соотношения скоростей целевого и побочных процессов пользуются мгновенной, или дифференциальной, селективностью, равной отношению скорости расходования реагента А на целевую реакцию к общей скорости расходования реагента и на целевую, и на побочные реакции.

Значение дифференциальной селективности в ходе процесса в общем случае не остается постоянным, так как оно определяется отношением скоростей реакций, а скорость реакции по мере ее протекания меняется. Таким образом, дифференциальная селективность характеризует эффективность целевой реакции в некоторый момент времени при некотором значении концентраций реагентов и продуктов и при заданной температуре. Лишь в том случае, когда параметры процесса во времени и пространстве не меняются (это возможно при проведении процесса в стационарном реакторе идеального смешения), ц' остается постоянной величиной.

При протекании химической реакции меняются концентрации реагентов и продуктов. Рассмотрим, как при изменении концентрации исходного реагента А для системы параллельных реакций (II) при постоянной температуре процесса меняется дифференциальная селективность ц'. Пусть целевая реакция имеет по исходному реагенту А порядок n₁, а побочная реакция - п₂,тогда

(1)

Проанализируем зависимость ц' от концентрации реагента А. Для удобства преобразуем выражение (1):

(2)

Здесь _t- величина, не зависящая от концентрации реагента A; n = п₂ - п₁- разность порядков побочной и целевой реакций по исходному реагенту А.

Очевидно, что ц' может быть как возрастающей, так и убывающей функцией от концентрации. Определим характер функции ц'(с_А) по знаку первой производной:

(3)

Как видно из уравнения (3), знак первой производной зависит от знака - всегда положительного, с_A в любой степени также положительная величина. Если ?n <0, т. е. если n₁>п₂(порядок целевой реакции по исходному реагенту больше порядка побочной реакции), то ц'(с_а) - возрастающая функция; скорость целевой реакции с ростом концентрации исходного реагента возрастает значительно быстрее скорости побочной реакции и доля скорости целевой реакции в суммарной скорости возрастает (рис. 1, кривая 2).

В этом случае желаемый результат - увеличение скорости образования целевого продукта R по сравнению со скоростью образования побочного продукта S (увеличение дифференциальной селективности ц') - достигается при использовании исходного реагента высокой концентрации.

Рис. 1. Зависимость дифференциальной селективности от концентрации исходного реагента А для параллельных реакций при различных соотношениях порядков реакций n₁ и п₂:

1 - п₁= 1, k₁ = 10 ч-¹ n₂ = 2,5,

k₂ = 15 м^4,5/(кмолъ^1,5·ч);

2 - n₁ = 2,5, k₁ =15^4,5/(кмолъ^1,5·ч);

n₂= 1; k₂= 10 ч-¹

При ?n> 0 (n₁<п₂)характер зависимости ц' от концентрации исходного реагента противоположный: dц'/dc_A< 0, следовательно, ц'(с_А) - убывающая функция (кривая 1),и более высокая дифференциальная селективность по целевому продукту достигается при низкой концентрации исходного реагента. Следовательно, не всегда выгодно стремиться увеличивать концентрацию реагента. Правда, при низких концентрациях реагента небольшим будет абсолютное значение скорости при прочих равных условиях. Тогда нужно искать другие пути увеличения скорости реакции при сохранении высокого значения дифференциальной селективности. При ?n = 0 дифференциальная селективность, как это видно из уравнения (3), остается постоянной величиной при любых значениях концентрации исходных реагентов, и изменить ц' можно, лишь изменив соотношение k₂/k₁.

4. Что такое коэффициент использования поверхности катализатора

Эффективность использования поверхности катализатора зависит от условий проведения процесса - температуры, давления и других, влияющих на константу скорости реакции и коэффициент диффузии.

Количественно эффективность использования поверхности катализатора можно оценить по коэффициенту эффективности е. Он представляет собой отношение средней скорости расходования реагента в порах катализатора к максимальной скорости расходования, которая имела бы место в отсутствии тормозящего влияния внутренней диффузии.

5. В чем заключается разница между действительным и средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе? Для какого типа проточных реакторов действительное и среднее время пребывания совпадают

Величина ф = v/V измеряется в единицах времени и характеризует среднее время, в течение которого обновляется содержимое проточного реактора. Эту величину называют средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе. Действительное время пребывания частиц в проточном реакторе смешения является случайной величиной в отличие от времени пребывания реагентов в периодическом реакторе. Пусть, например, в реактор введено N одинаковых частиц. В периодическом реакторе все они будут находиться равное время от загрузки до выгрузки. В проточном реакторе идеального смешения эти частицы мгновенно и равномерно распределяются по всему объему аппарата, и так как из аппарата непрерывно выходит поток продуктов, то в момент ввода частиц в реактор какое-то их количество может сразу же оказаться в выходном потоке. Некоторые частицы, равномерно распределяясь в новых порциях реакционной смеси, вошедшей в аппарат, могут находиться в нем бесконечно долго. Отсюда можно сделать вывод, что действительное время пребывания частиц в проточном реакторе - это случайная величина, которая может изменяться от 0 до ?.

Непрерывную случайную величину можно задать с помощью вероятностных характеристик, в частности функций распределения случайной величины. Использование в качестве характеристики времени пребывания частиц в проточном реакторе величины является удобным способом усреднения действительного времени пребывания, так как эта величина связана с конструктивными характеристиками реактора: его объемом и объемным расходом реакционной смеси.

6. Определите производительность по продукту R при проведении обратимой реакции А R в каскаде из двух реакторов идеального смешения равного объема V₁= V₂ = 0,3 м³, если с_А,0= 1,5 кмоль/м³, объемный расход V - 1 м³/ч, k₁= 0,32 ч-¹, k₂ = 0,18 ч-¹.

Если известны концентрация продукта в реакционной смеси, для определения производительности удобно воспользоваться следующей формулой:

П = c_Rv,

где c_R- концентрация продукта; v - объемный расход реакционной смеси.

П = 1,5*1 = 1,5 кг/ч

7. Какая величина называется параметром модели реактора с неидеальной структурой потока? Проанализируйте достоинства и недостатки однопараметрических моделей по сравнению с многопараметрическими

Математическая модель реактора с неидеальной структурой потоков должна удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, она должна точнее, чем модели реакторов с идеальной структурой потока, передавать закономерности протекающего химического процесса, в частности, при моделировании проточных реакторов расчет на основе такой модели должен позволить получить распределение концентраций по объему, приближающееся к реальному. Во-вторых, модель при большей сложности (по сравнению с моделями идеальных реакторов) должна быть такой, чтобы при её использовании можно было аналитическими или численными методами получить расчетные зависимости, необходимые для распределения размеров реактора или решения подобных задач.

При разработке тех или иных моделей следует иметь в виду, что, как правило, теория дает общий вид уравнений математического описания, а числовые коэффициенты этих уравнений, значения которых отличают один частный случай от другого, должны быть найдены экспериментально. Эти коэффициенты называют параметрами математической модели. Обычно стремятся к тому, чтобы число таких параметров было минимальным. Большое число параметров, с одной стороны, вроде бы делает модель точной (физически), но, однако, при этом возникает опасность появления значительных ошибок, так как чем больше параметров, тем более точный эксперимент нужно поставить, чтобы достаточно верно оценить их. Математические модели неидеальных реакторов могут быть построены на основе двух подходов. Первый основан на мысленной замене реального реактора той или иной комбинации идеальных аппаратов. Второй имеет большее физическое обоснование - при составлении математического описания процесса стремятся учесть те реальные физические явления, происходящие в аппарате, и внести их в уравнения модели с помощью соответствующих математических операторов.

химический реагент равновесие реактор

8. Что такое окисляемость воды и в чем разница между химическим и биохимическим потреблением кислорода?

Окисляемость воды - величина, характеризующая содержание в воде органических и неорганических веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях (ГОСТ 17403-72). Присутствующие в воде органические соединения могут претерпевать не только аэробное биохимическое окисление в результате жизнедеятельности бактерий, используемое при определении БПК. При наличии в пробе воды сильных окислителей и соответствующих условий протекают химические реакции окисления органических веществ, причем характеристикой процесса химического окисления, а также мерой содержания в пробе органических веществ является потребление в реакции кислорода, химически связанного в окислителях. Показатель, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода, называется химическим потреблением кислорода (ХПК). Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель, в том или ином варианте, используется повсеместно при контроле качества природных вод, исследовании сточных вод и др. Результаты определения окисляемости выражаются в миллиграммах потребленного кислорода на 1 л воды (мгО/л).

Однако не все органические вещества в равной степени участвуют в реакции химического окисления. Так же, как и при биохимическом окислении, при химическом окислении можно выделить группы легко, нормально и тяжело окисляющихся органических веществ. Поэтому всегда существует разница между теоретически возможным и практически достигаемым значениями ХПК.

Теоретическим значением ХПК (ХПК_теор) называют количество кислорода (или окислителя в пересчете на кислород) в мг/л, необходимое для полного окисления содержащихся в пробе органических веществ, т.е. всех способных окисляться элементов из состава органического соединения. При таком окислении углерод теоретически количественно окисляется до CO₂, а сера и фосфор (если они присутствуют в соединении) - до SO₃ и P₂O₅. Азот превращается в аммонийную соль; кислород, входивший в состав окисляемых органических молекул, является «строительным материалом» для образующихся продуктов окисления, а водород переходит в структуру H₂O или аммонийной соли.

Практически используемые методы определения ХПК дают результаты, близкие к ХПК_теор, но всегда отклоняющиеся в ту или иную сторону. При наличии трудно окисляющихся органических веществ их окисление за время реакции проходит неполностью, и это приводит к занижению результата. В то же время, при наличии в пробе неорганических восстановителей, также потребляющих кислород на собственное окисление, результат получается завышенный. Совместное действие обоих факторов и вызывает отклонение реального ХПК от ХПК_теор.

Таким образом, окисляемость, или ХПК, характеризует общее количество содержащихся в воде восстановителей (органических и неорганических), реагирующих с сильными окислителями. В качестве таких окислителей обычно используют бихромат- и перманганат-анионы, и соответственно называются основные методы определения ХПК - бихроматный и перманганатный. Следует отметить, что результаты определения окисляемости одной и той же воды с помощью разных окислителей обычно неоднозначны из-за неодинаковой степени окисления веществ, присутствующих в воде. Результаты зависят также от свойств окислителя, его концентрации, температуры, рН, продолжительности окисления и др. Получаемые результаты сопоставимы только в том случае, когда точно соблюдены все условия проведения анализа.

Бихроматная окисляемость позволяет получить значение ХПК, наиболее приближенное к ХПК_теор, т.е. наиболее полное окисление достигается бихроматом калия. Поэтому определение бихроматной окисляемости является основным методом определения ХПК. Именно бихроматную окисляемость часто называют «химическим потреблением кислорода». В условиях этого метода большинство органических соединений окисляется на 95% и более, однако окисляются не все соединения (толуол, бензол, пиридин, парафин и др. практически не окисляются). Катализатором окисления является сульфат серебра, который добавляется в аналитическую рецептуру для ускорения реакции и повышения полноты окисления органических веществ. Избыток бихромата оттитровывается раствором соли Мора. Реакцию проводят в жестких условиях - в 50%-ной (18-нормальной, разбавление 1:1) серной кислоте при кипячении. Содержание неорганических восстановителей в пробе определяют отдельно специальными методами и вычитают из ХПК пробы.

Бихроматная окисляемость определяется методом титрования. Соответствующие методики, с незначительными различиями, регламентированы как отечественными руководящими документами, так и международным стандартом ИСО 6060. Согласно методу титрования, избыток бихромата калия после операции окисления (уравнение реакции см. выше) оттитровывают солью Мора в присутствии индикатора, в качестве которого обычно используется ферроин - комплекс 1,10-фенатролина с сульфатом железа (II) (в качестве индикатора может быть также использована N-фенилантраниловая кислота).

Для определения ХПК, наряду с окислением бихроматом, проводят также окисление перманганатом. Соответствующий показатель называется перманганатной окисляемостью (за рубежом также используют термин «перманганатный индекс»). Перманганатная окисляемость является мерой загрязнения воды окисляемыми органическими и неорганическими веществами, способными к окислению в условиях анализа, и такими условиями являются окисление 0,01 ммоль/л экв. раствором перманганата калия в сернокислой среде или кипячение в течении 10 мин.

Для определения перманганатной окисляемости используется более простой метод, чем для бихроматной окисляемости, однако он имеет ограниченное применение. Так, определение перманганатной окисляемости может быть рекомендовано (и широко используется) лишь при анализе природных вод для контроля за динамикой содержания легкоокисляющихся веществ природного происхождения (например, гуминовых кислот). И это понятно, т.к. «жестко» окисляющиеся органические загрязнители, часто присутствующие в сточных водах, в природной воде практически не встречаются. Следует отметить также, что именно перманганатная окисляемость является единственным показателем ХПК, регламентирующим качество питьевой воды согласно СанПиН 2.1.4.559-96 (норматив составляет 5,0 мгО/л).

Биохимическое потребление кислорода (БПК)

Степень загрязнения воды органическими соединениями определяют как количество кислорода, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях. Биохимическое окисление различных веществ происходит с различной скоростью. К легкоокисляющимся ("биологически мягким") веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др. Медленно разрушаются "биологически жесткие" вещества гидрохинон, сульфонол, неионогенные ПАВ и др. В лабораторных условиях наряду с БПК_полн. определяется БПК₅ - биохимическая потребность в кислороде за 5 суток. В поверхностных водах величины БПК₅ изменяются обычно в пределах 0,5-4 мгO₂/дм³ и подвержены сезонным и суточным колебаниям. Oпределение БПК₅ в поверхностных водах используется с целью оценки содержания биохимически окисляемых органических веществ, условий обитания гидробионтов и в качестве интегрального показателя загрязненности воды. Необходимо использовать величины БПК₅ при контролировании эффективности работы очистных сооружений. Сезонные изменения зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2-3 раза при повышении температуры на 10^oC. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности. Суточные колебания величин БПК₅ также зависят от исходной концентрации растворенного кислорода, которая может в течение суток изменяться на 2,5 мг/дм³ в зависимости от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. Весьма значительны изменения величин БПК₅ в зависимости от степени загрязненности водоемов.

9. Каковы основные виды энергетических ресурсов? Какие из них являются наиболее перспективными?

На протяжении тысячелетий основными видами используемой человеком энергии были химическая энергия древесины, потенциальная энергия воды на плотинах, кинетическая энергия ветра и лучистая энергия солнечного света. Но в 19 в. главными источниками энергии стали ископаемые топлива: каменный уголь, нефть и природный газ.

В связи с быстрым ростом потребления энергии возникли многочисленные проблемы и встал вопрос о будущих источниках энергии. Достигнуты успехи в области энергосбережения. В последнее время ведутся поиски более чистых видов энергии, таких, как солнечная, геотермальная, энергия ветра и энергия термоядерного синтеза.

Потребление энергии всегда было прямо связано с состоянием экономики. Увеличение валового национального продукта (ВНП) сопровождалось увеличением потребления энергии. Однако энергоемкость ВНП (отношение использованной энергии к ВНП) в промышленно развитых странах постоянно снижается, а в развивающихся - возрастает.

Основными видами энергетических ресурсов являются топливные - уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы, древесина и нетопливные - энергия воды (гидроэнергия), ядерная энергия, а также используемая частично энергия ветра, морских приливов и солнечной радиации; ресурсы подразделяются на возобновляемые (гидроэнергия, ветроэнергия, энергия приливов и солнечной радиации) и невозобновляемые (уголь, нефть, газ, сланцы).

В последнее время исследуется ряд альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным из них представляется солнечная энергия. Солнечная энергия. У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий. Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

10. Определите объем воздуха для сжигания 500 кг фосфора, содержащего 0,0098 мас. Долей примесей, не окисляемых в процессе сжигания, если избыток воздуха составляет 1,2. Содержание кислорода в воздухе 0,21 об. долей

4P + 5O₂ > 2P₂O₅ (с избытком кислорода)

1) Найдем массу чистого фосфора без примесей:

А) масса примесей: mприм = 500*0,0098 = 5 кг,

Б) масса чистого фосфора: m фосфора = 500-5 = 450 кг

2) Найдем массу кислорода, который должен быть израсходован по реакции:

450*22,4/31 = 325,16 кг, где 31 - молекулярная масса фосфора

3) Определяем массу кислорода с учетом избытка:

325,16*1,2 = 390.2 кг

4) Определяем массу кислорода, который поступил с воздухом:

390,2*32/21 = 594,6 кг

5) Определяем массу неизрасходованного кислорода:

594,6 - 450 = 144,6 кг

Размещено на Allbest.ru