Что такое стехиометрическое соотношение

Стехиометрическое соотношение

Смотреть что такое «Стехиометрическое соотношение» в других словарях:

стехиометрическое соотношение — stechiometrinis santykis statusas T sritis chemija apibrėžtis Ekvivalentiški reaguojančiųjų medžiagų kiekiai. atitikmenys: angl. stoichiometric ratio; stoichiometric relationship rus. стехиометрическое отношение; стехиометрическое соотношение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

нормированное или нормализованное стехиометрическое соотношение — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN normalized stoichiometric ratio … Справочник технического переводчика

теоретическое стехиометрическое соотношение — Избыток воздуха, теоретически необходимый для полного сгорания топлива, соответствующий богатому срыву [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN theoretical stoichiometric ratioLo … Справочник технического переводчика

стехиометрическое отношение — stechiometrinis santykis statusas T sritis chemija apibrėžtis Ekvivalentiški reaguojančiųjų medžiagų kiekiai. atitikmenys: angl. stoichiometric ratio; stoichiometric relationship rus. стехиометрическое отношение; стехиометрическое соотношение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Соотношение стехиометрическое — [stoichiometric ratio] численное соотношение между количествами реагирующих веществ, отвечающих законам стехиометрии. Соотношение стехиометрическое выражается целыми числами для подавляющего большинства твердых химических соединений. Однако среди … Энциклопедический словарь по металлургии

Маргарита Дергачева — Маргарита Борисовнв Дергачева, доктор химических наук, профессор. Институт органического катализа и электрохимии им. Д. В. Сокольского, г. Алматы. Казахстанско Британский Технический Университет, г. Алматы. Получение соединений CuInSe2… … Википедия

Химическое уравнение — Химическим уравнением (уравнением химической реакции) называют условную запись химической реакции с помощью химических формул, числовых коэффициентов и математических символов. Уравнение химической реакции даёт качественную и количественную… … Википедия

stechiometrinis santykis — statusas T sritis chemija apibrėžtis Ekvivalentiški reaguojančiųjų medžiagų kiekiai. atitikmenys: angl. stoichiometric ratio; stoichiometric relationship rus. стехиометрическое отношение; стехиометрическое соотношение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

stoichiometric ratio — stechiometrinis santykis statusas T sritis chemija apibrėžtis Ekvivalentiški reaguojančiųjų medžiagų kiekiai. atitikmenys: angl. stoichiometric ratio; stoichiometric relationship rus. стехиометрическое отношение; стехиометрическое соотношение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

stoichiometric relationship — stechiometrinis santykis statusas T sritis chemija apibrėžtis Ekvivalentiški reaguojančiųjų medžiagų kiekiai. atitikmenys: angl. stoichiometric ratio; stoichiometric relationship rus. стехиометрическое отношение; стехиометрическое соотношение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник

Беседы о ракетных двигателях

Просто о том, что кажется сложным

Урок 02. Определение параметров топлива (ч.1)

Здравствуйте!

В сегодняшнем уроке мы узнаем, как определить стехиометрическое соотношение компонентов и записать условную химическую формулу топлива.

Во-первых, давайте вспомним, что же это такое – стехиометрическое соотношение компонентов топлива. Оказывается, топливо может гореть по-разному. Причем не нужно воспринимать это горение как обычное горение дров в камине, где в качестве окислителя выступает кислород воздуха. Горение топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько вещества вступает в реакцию. Если взять 1 кг какого-нибудь горючего и заставить его взаимодействовать с очень большим количеством окислителя, то после того, как этот 1 кг горючего закончится, химическая реакция горения прекратится, потому что окислителю просто нечего будет окислять.

Вопрос на засыпку.
На защите курсового проекта у студента спрашивают: что произойдёт с горючим, впрыскиваемым через пояс завесного охлаждения перед критическим сечением камеры? Распространённый ответ: оно сгорит. Это неверно. Ему не с чем там гореть. Весь окислитель уже прореагировал в камере сгорания. Горючее испарится, может разложиться, но сгореть не может.

Значит, для каждой топливной пары существует вполне определённое соотношение между количеством окислителя и горючего, при котором они взаимодействуют друг с другом без остатка. Именно такое соотношение называют стехиометрическим.

Количество компонента можно задать объёмом или массой. При расчёте топлив больше распространено массовое соотношение компонентов K_m (индекс m как раз и указывает на это). Для обозначения стехиометрического соотношения добавляют индекс 0, т.е. – K_m0. Каждая топливная пара имеет вполне определённое K_m0. Его можно найти в справочной литературе. Однако в учебно-познавательных целях давайте рассмотрим, как его можно вычислить.

Значение K_m0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции

Возьмём топливную пару НДМГ + АТ и вычислим для неё K_m0. Молекулярную массу НДМГ и АТ мы уже считали:

μ_(C2N2H8) = 12·2 + 14·2 + 1·8 = 60 а.е.м.
μ_(N2O4) = 14·2 + 16·4 = 92 а.е.м.

Количество атомов и валентности элементов известны. Подставляем в формулу

Но это наиболее общая формула. Она годится для любых веществ, но неудобна, если компонент представляет собой смесь. Придётся дополнительно определять его условную химическую формулу чтобы узнать b_i.

Для определения K_m0 при сгорании углеводородных топлив в учебнике Штехера, например, предлагается использовать более практичную формулу (для веществ, содержащих только C, H, N, O)

Найдём стехиометрическое соотношение компонентов для той же топливной пары НДМГ + АТ, но по другой формуле.

Массовые доли элементов в НДМГ были найдены в прошлом уроке g_C = 0,400, g_N = 0,467, g_H = 0,133.
Для азотного тетраоксида g_N = 0,304, g_O = 0,696 (предлагаю Вам посчитать их самостоятельно).

Вроде бы сошлось. 🙂

Если Вам всё же больше нравится первый вариант, то компонент нужно представить в виде условной химической формулы. При этом задаться условной молекулярной массой смеси (например, μ = 100 а.е.м.).

Количество атомов в формуле можно определить так:

Определим условную химическую формулу АК-20, рассмотренного в прошлом уроке.
Массовые доли g_H = 0,013, g_N = 0,239, g_O = 0,749.

Получить условную химическую формулу топлива можно тем же способом.

Для определения массовых долей компонентов в топливе в целом нужно знать действительное соотношение компонентов K_m. Прежде чем его вычислить, скажем несколько слов о такой величине, как коэффициент избытка окислителя α_ок.

Несмотря на то, что казалось бы сжигать компоненты при стехиометрии наиболее выгодно, по ряду причин реальные ЖРД обычно работают с некоторым избытком горючего (рассказ о причинах займёт довольно много времени, возможно этому вопросу будет посвящена отдельная статья в Базе знаний). Для различия между стехиометрическим и действительным соотношением компонентов топлива и вводится α_ок.

Зависимость крайне проста

Коэффициент может принимать любые положительные значения. Если α_ок = 1, K_m = K_m0, при α_ок 1 – избыток окислителя.

Узнать наперед какое значение α_ок лучше выбрать, очень сложно. Поэтому им либо задаются из диапазона рекомендуемых значений, либо проводят серию тепловых расчетов при разных α_ок, а затем выбирают оптимальное, например, из условия максимума скорости истечения продуктов сгорания на срезе сопла.

Зная значение коэффициента избытка окислителя, можно определить массовый состав топлива:

Определим массовый состав топливной пары НДМГ + АТ при α_ок = 0,91 и запишем её условную химическую формулу.

Значение K_m0 получено в примерах выше. Массовые доли химических элементов в компонентах тоже уже известны.

Количество атомов в условной химической формуле

На этом всё. Надеюсь, урок был полезным. В следующий раз поговорим об энтальпии топлива и плотности смесей.

Источник

Стехиометрия

Из Википедии — свободной энциклопедии

Понятие стехиометрии относят как к химическим соединениям, так и к химическим реакциям. Соотношения, в которых, согласно законам стехиометрии, вступают в реакцию вещества, называют стехиометрическими, так же называют соответствующие этим законам соединения. В стехиометрических соединениях химические элементы присутствуют в строго определённых соотношениях (соединения постоянного стехиометрического состава, они же дальтониды). Примером стехиометрических соединений могут служить вода Н₂О, сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁ и практически все другие органические, а также множество неорганических соединений.

Термин «стехиометрия» ввёл И. Рихтер в книге «Начала стехиометрии, или Искусство измерения химических элементов» (J. B. Richter. Anfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente. Erster, Zweyter und Dritter Theil. Breßlau und Hirschberg, 1792-93), обобщивший результаты своих определений масс кислот и оснований при образовании солей.

В основе стехиометрии лежат законы сохранения массы, эквивалентов, закон Авогадро, Гей-Люссака, закон постоянства состава, закон кратных отношений. Открытие законов стехиометрии, строго говоря, положило начало химии как точной науки. Правила стехиометрии лежат в основе всех расчётов, связанных с химическими уравнениями реакций и применяются в аналитической и препаративной химии, химической технологии и металлургии.

Законы стехиометрии используют в расчётах, связанных с формулами веществ и нахождением теоретически возможного выхода продуктов реакции. Рассмотрим реакцию горения термитной смеси:

Сколько граммов алюминия нам необходимо для завершения реакции с 85,0 граммами оксида железа (III)?

( 85.0 g F e 2 O 3 1 ) ( 1 m o l F e 2 O 3 160 g F e 2 O 3 ) ( 2 m o l A l 1 m o l F e 2 O 3 ) ( 27 g A l 1 m o l A l ) = 28.7 g A l <\displaystyle \mathrm <\left(<\frac <85.0\ g\ Fe_<2>O_<3>><1>>\right)\left(<\frac <1\ mol\ Fe_<2>O_<3>><160\ g\ Fe_<2>O_<3>>>\right)\left(<\frac <2\ mol\ Al><1\ mol\ Fe_<2>O_<3>>>\right)\left(<\frac <27\ g\ Al><1\ mol\ Al>>\right)=28.7\ g\ Al> >

Таким образом, для проведения реакции с 85,0 граммами оксида железа (III), необходимо 28,7 грамма алюминия.

Источник

Стехиометрия основана на законе сохранения массы, где общая масса реагентов равна общей массе продуктов, что приводит к пониманию того, что отношения между количествами реагентов и продуктов обычно образуют отношение положительных целых чисел. Это означает, что если количества отдельных реагентов известны, то можно рассчитать количество продукта. И наоборот, если один реагент имеет известное количество и количество продуктов может быть определено эмпирически, то количество других реагентов также может быть рассчитано.

Это проиллюстрировано на изображении здесь, где сбалансированное уравнение выглядит следующим образом:

СОДЕРЖАНИЕ

Этимология

Определение

Элементы в их естественном состоянии представляют собой смеси изотопов разной массы, поэтому атомные массы и, следовательно, молярные массы не совсем целые числа. Например, вместо точного соотношения 14: 3, 17,04 кг аммиака состоит из 14,01 кг азота и 3 × 1,01 кг водорода, потому что природный азот включает небольшое количество азота-15, а природный водород включает водород-2 ( дейтерий ).

Перевод граммов в моль

В приведенном выше примере, когда они записаны в дробной форме, единицы граммов образуют мультипликативную идентичность, которая эквивалентна единице (г / г = 1), с результирующим количеством в молях (единица, которая была необходима), как показано в следующем уравнении,

( 2,00 г NaCl 1 ) ( 1 моль NaCl 58,44 г NaCl ) знак равно 0,0342 моль <\ displaystyle \ left (<\ frac <2,00 <\ mbox >> <1>> \ right) \ left (<\ frac <1 <\ mbox >>> <58,44 <\ mbox < г NaCl>>>> \ right) = 0,0342 \ <\ text >>

Молярная пропорция

Стехиометрия реакции описывает соотношение молекул водорода, кислорода и воды 2: 1: 2 в приведенном выше уравнении.

Молярное соотношение позволяет осуществлять преобразование между молями одного вещества и молями другого. Например, в реакции

2 канала
3 ОН + 3 О
2 → 2 СО
2 + 4 часа
2 О

количество воды, которое будет произведено при сгорании 0,27 моль CH
3 OH получается с использованием мольного соотношения между CH
3 ОН и Н
2 O от 2 до 4.

( 0,27 моль C ЧАС 3 О ЧАС 1 ) ( 4 моль ЧАС 2 О 2 моль C ЧАС 3 О ЧАС ) знак равно 0,54 моль ЧАС 2 О <\ displaystyle \ left (<\ frac <0,27 <\ mbox > \ mathrm OH>> <1>> \ right) \ left (<\ frac <4 <\ mbox >) \ mathrm O>> <2 <\ mbox > \ mathrm OH>>> \ right) = 0,54 \ <\ text > \ mathrm O>>

Термин стехиометрия также часто используется для обозначения молярных соотношений элементов в стехиометрических соединениях (стехиометрия состава). Например, стехиометрия водорода и кислорода в H ₂ O составляет 2: 1. В стехиометрических соединениях молярные пропорции являются целыми числами.

Определение количества продукта

Стехиометрию также можно использовать для определения количества продукта, полученного в результате реакции. Если бы кусок твердой меди (Cu) был добавлен к водному раствору нитрата серебра (AgNO ₃ ), серебро (Ag) было бы заменено в одной реакции замещения с образованием водного раствора нитрата меди (II) (Cu (NO ₃ ) ₂ ) и твердое серебро. Сколько серебра получается, если к раствору избытка нитрата серебра добавить 16,00 граммов Cu?

Будут использоваться следующие шаги:

Полное сбалансированное уравнение будет:

Для перехода от массы к молям масса меди (16,00 г) должна быть преобразована в моль меди путем деления массы меди на ее молекулярную массу : 63,55 г / моль.

( 16.00 г Cu 1 ) ( 1 моль Cu 63,55 г Cu ) знак равно 0,2518 моль Cu <\ displaystyle \ left (<\ frac <16.00 <\ mbox >> <1>> \ right) \ left (<\ frac <1 <\ mbox >>> <63,55 <\ mbox < г Cu>>>> \ right) = 0,2518 \ <\ text <моль Cu>>>

Теперь, когда количество Cu в молях (0,2518) найдено, мы можем установить мольное соотношение. Это можно найти, посмотрев на коэффициенты в сбалансированном уравнении: Cu и Ag находятся в соотношении 1: 2.

( 0,2518 моль Cu 1 ) ( 2 моль Ag 1 моль Cu ) знак равно 0,5036 моль Ag <\ displaystyle \ left (<\ frac <0,2518 <\ mbox >> <1>> \ right) \ left (<\ frac <2 <\ mbox >>> <1 <\ mbox < моль Cu>>>> \ right) = 0,5036 \ <\ text <моль Ag>>>

Теперь, когда известно, что произведенное Ag составляет 0,5036 моль, мы переводим это количество в граммы произведенного Ag, чтобы прийти к окончательному ответу:

( 0,5036 моль Ag 1 ) ( 107,87 г Ag 1 моль Ag ) знак равно 54,32 г Ag <\ displaystyle \ left (<\ frac <0,5036 <\ mbox >> <1>> \ right) \ left (<\ frac <107,87 <\ mbox >>> <1 <\ mbox < моль Ag>>>> \ right) = 54,32 \ <\ text >>

Этот набор вычислений можно в дальнейшем свести к одному шагу:

м А грамм знак равно ( 16.00 грамм C ты 1 ) ( 1 моль C ты 63,55 грамм C ты ) ( 2 моль А грамм 1 моль C ты ) ( 107,87 грамм А грамм 1 моль Ag ) знак равно 54,32 грамм <\ displaystyle m _ <\ mathrm > = \ left (<\ frac <16.00 <\ mbox > \ mathrm > <1>> \ right) \ left (<\ frac <1 <\ mbox > \ mathrm > <63.55 <\ mbox > \ mathrm >> \ right) \ left (<\ frac <2 <\ mbox > \ mathrm > <1 <\ mbox > \ mathrm >> \ right) \ left (<\ frac <107.87 <\ mbox > \ mathrm > <1 <\ mbox ) >>> \ right) = 54.32 <\ mbox >>

Дальнейшие примеры

Для пропана (C ₃ H ₈ ), реагирующего с газообразным кислородом (O ₂ ), сбалансированное химическое уравнение имеет вид:

Масса воды, образующейся при сжигании 120 г пропана (C ₃ H ₈ ) в избытке кислорода, равна

Стехиометрическое соотношение

м А л знак равно ( 85,0 грамм F е 2 О 3 1 ) ( 1 моль F е 2 О 3 159,7 грамм F е 2 О 3 ) ( 2 моль Al 1 моль F е 2 О 3 ) ( 26,98 г Al 1 моль Al ) знак равно 28,7 грамм <\ displaystyle m _ <\ mathrm > = \ left (<\ frac <85.0 <\ mbox > \ mathrm O_ <3>>> <1>> \ right) \ left ( <\ frac <1 <\ mbox > \ mathrm O_ <3>>> <159.7 <\ mbox > \ mathrm O_ <3>>>> \ right ) \ left (<\ frac <2 <\ mbox >> <1 <\ mbox > \ mathrm O_ <3>>>> \ right) \ left (<\ frac <26.98 <\ mbox >> <1 <\ mbox >>> \ right) = 28.7 <\ mbox >>

Ограничение реагента и процентного выхода

Рассмотрим уравнение обжига сульфида свинца (II) (PbS) в кислороде (O ₂ ) с образованием оксида свинца (II) (PbO) и диоксида серы (SO ₂ ):

2 PbS + 3 O
2 → 2 PbO + 2 SO
2

Для определения теоретического выхода оксида свинца (II) при нагревании 200,0 г сульфида свинца (II) и 200,0 г кислорода в открытом контейнере:

м п б О знак равно ( 200,0 грамм п б S 1 ) ( 1 моль п б S 239,27 грамм п б S ) ( 2 моль п б О 2 моль п б S ) ( 223,2 грамм п б О 1 моль п б О ) знак равно 186,6 грамм <\ displaystyle m _ <\ mathrm > = \ left (<\ frac <200.0 <\ mbox > \ mathrm > <1>> \ right) \ left (<\ frac <1 <\ mbox > \ mathrm > <239.27 <\ mbox > \ mathrm >> \ right) \ left (<\ frac <2 <\ mbox > \ mathrm > <2 <\ mbox > \ mathrm >> \ right) \ left (<\ frac <223.2 <\ mbox > \ mathrm > <1 <\ mbox >) \ mathrm >> \ right) = 186,6 <\ mbox >> м п б О знак равно ( 200,0 грамм О 2 1 ) ( 1 моль О 2 32.00 грамм О 2 ) ( 2 моль п б О 3 моль О 2 ) ( 223,2 грамм п б О 1 моль п б О ) знак равно 930,0 грамм <\ displaystyle m _ <\ mathrm > = \ left (<\ frac <200.0 <\ mbox > \ mathrm >> <1>> \ right) \ left (<\ frac < 1 <\ mbox > \ mathrm >> <32.00 <\ mbox > \ mathrm >>> \ right) \ left (<\ frac <2 <\ mbox > \ mathrm > <3 <\ mbox > \ mathrm >>> \ right) \ left (<\ frac <223.2 <\ mbox > \ mathrm < PbO>> <1 <\ mbox > \ mathrm >> \ right) = 930,0 <\ mbox >>

Поскольку из 200,0 г PbS образуется меньшее количество PbO, очевидно, что PbS является ограничивающим реагентом.

В действительности фактический выход не совпадает со стехиометрически рассчитанным теоретическим выходом. Таким образом, процентная доходность выражается следующим уравнением:

процентная доходность знак равно фактическая доходность теоретический выход <\ displaystyle <\ mbox <процентная доходность>> = <\ frac <\ mbox <фактическая доходность>> <\ mbox <теоретическая доходность>>>>

Если получают 170,0 г оксида свинца (II), то процентный выход рассчитывается следующим образом:

процентная доходность знак равно 170,0 г PbO 186,6 г PbO знак равно 91,12 % <\ displaystyle <\ mbox <процент выхода>> = <\ frac <\ mbox <170,0 г PbO>> <\ mbox <186,6 г PbO>>> = 91,12 \%>

Пример

Рассмотрим следующую реакцию, в которой хлорид железа (III) реагирует с сероводородом с образованием сульфида железа (III) и хлористого водорода :

2 FeCl
3 + 3 часа
2 S → Fe
2 S
3 + 6 HCl Стехиометрические массы для этой реакции: 324,41 г FeCl3, 102,25 г H2S, 207,89 г Fe2S3, 218,77 г HCl

Предположим, что 90,0 г FeCl ₃ реагирует с 52,0 г H ₂ S. Чтобы определить ограничивающий реагент и массу HCl, образующегося в результате реакции, мы изменим вышеуказанные количества в 90 / 324,41 раз и получим следующие количества:

90,00 г FeCl3, 28,37 г H2S, 57,67 г FeS3, 60,69 г HCl

Примечание: глядя на стехиометрию реакции, можно было предположить, что лимитирующим реагентом является FeCl3; FeCl3 используется в три раза больше, чем H2S (324 г против 102 г).

Различные стехиометрии в конкурирующих реакциях

Часто при одних и тех же исходных материалах возможно более одной реакции. Реакции могут различаться по стехиометрии. Например, метилирование из бензола (С ₆ Н ₆ ), через реакцию Фриделя-Крафтса с использованием AlCl ₃ в качестве катализатора, может привести к одиночно метилированный (С ₆ Н ₅ СН ₃ ), дважды метилированный (С ₆ Н ₄ (СН ₃ ) ₂ ) или еще более высокометилированные (C ₆ H _{6− n} (CH ₃ ) _n ) продукты, как показано в следующем примере,

В этом примере, какая реакция происходит, частично регулируется относительными концентрациями реагентов.

Стехиометрический коэффициент и стехиометрическое число

так что полное (дифференциальное) изменение количества i- го компонента равно

Степень реакции обеспечивает самый ясный и явный способ представления композиционных изменений, хотя они еще не получили широкого распространения.

Матрица стехиометрии

Если реакционная сеть имеет n реакций и m участвующих молекул, то матрица стехиометрии будет иметь соответственно m строк и n столбцов.

Например, рассмотрим систему реакций, показанную ниже:

Эта система включает четыре реакции и пять различных молекулярных форм. Матрицу стехиометрии для этой системы можно записать как:

Часто матрица стехиометрии комбинируется с вектором скорости v и вектором разновидностей x, чтобы сформировать компактное уравнение, описывающее скорости изменения молекулярных разновидностей:

Стехиометрия газа

Расчеты газовой стехиометрии позволяют определить неизвестный объем или массу газообразного продукта или реагента. Например, если мы хотим рассчитать объем газообразного NO _2, полученного при сгорании 100 г NH ₃ по реакции:

4 NH
3 (г) + 7 O
2 (г) → 4 НЕТ
2 (г) + 6 часов
2 О (л)

мы бы провели следующие расчеты:

100 грамм N ЧАС 3 ⋅ 1 м о л N ЧАС 3 17,034 грамм N ЧАС 3 знак равно 5,871 м о л N ЧАС 3 <\ displaystyle 100 \, \ mathrm > \ cdot <\ frac <1 \, \ mathrm >> <17.034 \, \ mathrm >>> = 5,871 \, \ mathrm >>

Стехиометрические отношения воздуха к топливу обычных видов топлива

Бензиновые двигатели могут работать при стехиометрическом соотношении воздуха к топливу, потому что бензин довольно летуч и смешивается (распыляется или карбюрируется) с воздухом перед воспламенением. Дизельные двигатели, напротив, работают на обедненной смеси, в которых доступно больше воздуха, чем требуется для простой стехиометрии. Дизельное топливо менее летучо и эффективно сжигается при впрыске.

Источник