Уравнение энергетического баланса в химии

Метод электронного баланса в доступном изложении

Задача.
Методом электронного баланса подберите коэффициенты в схемах следующих окислительно-восстановительных реакций с участием металлов:

Применение метода электронного баланса по шагам. Пример «а»

(в сумме, опять же, получим ноль, как и должно быть)

Теперь перейдем ко второй части уравнения.

Для AgNO₃ степень окисления серебра +1 кислорода -2, следовательно степень окисления азота равна:

Для NO степень окисления кислорода -2, следовательно азота +2

Для H₂O степень окисления водорода +1, кислорода -2

Шаг 2. Запишем уравнение в новом виде, с указанием степени окисления каждого из элементов, участвующих в химической реакции.

Ag 0 + H +1 N +5 O -2 ₃ → Ag +1 N +5 O -2 ₃ + N +2 O -2 + H +1 ₂O -2

• В первоначальном уравнении перед Ag ставим тройку, что потребует такого же коэффициента перед AgNO₃
• Теперь у нас возник дисбаланс по количеству атомов азота. В правой части их четыре, в левой — один. Поэтому ставим перед HNO₃ коэффициент 4
• Теперь остается уравнять 4 атома водорода слева и два — справа. Решаем это путем применения коэффииента 2 перед H₂O

Пример «б»

Для H₂SO₄ степень окисления водорода +1 кислорода -2 откуда степень окисления серы 0 — (+1)*2 — (-2)*4 = +6

Для CaSO₄ степень окисления кальция равна +2 кислорода -2 откуда степень окисления серы 0 — (+2) — (-2)*4 = +6

Для H₂S степень окисления водорода +1, соответственно серы -2

Ca 0 +H +1 ₂S +6 O -2 ₄ → Ca +2 S +6 O -2 ₄ + H +1 ₂S -2 + H +1 ₂O -2
Ca 0 — 2e = Ca +2 (коэффициент 4)
S +6 + 8e = S -2

Пример «в»

Для Be(NO₃)₂ степень окисления бериллия +2, кислорода -2, откуда степень окисления азота ( 0 — (+2) — (-2)*3*2 ) / 2 = +5

Be 0 + H +1 N +5 O -2 ₃ → Be +2 (N +5 O -2 ₃)₂ + N +2 O -2 + H +1 ₂O -2
Be 0 — 2e = Be +2 (коэффициент 3)
N +5 +3e = N +2 (коэффициент 2)

Метод электронного баланса — правила и алгоритмы уравнивания реакций

Общие понятия

Взаимодействие исходных веществ с образованием новых, при котором ядра атомов остаются неизменными, называют химическими реакциями. Для них характерно перераспределение электронов. Исходные вещества называют реагентами, а прореагирующие — продуктами реакции. Превращение может происходить как сложных, так и простых элементов. Описываются они химическими уравнениями, состоящими из двух частей. Стрелка, разделяющая их, указывает направление протекания реакции.

Числа, стоящие перед веществами, участвующими в превращении, называют коэффициентами. Они указывают на количественную часть веществ. Любая реакция может происходить как с поглощением энергии, так и её выделением. В первом случае химическое уравнение называют эндотермическим, а во втором — экзотермическим.

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют встречно-параллельные превращения с изменением степени окисления. Протекают они методом перераспределения электронов между акцептором — атомом окислителем и донором — восстановителем. Для составления уравнений, описывающих такого типа процесс, используют метод электронного баланса.

Примеры заданий предполагают, что в любой реакции, которую можно описать способом баланса, участвуют две сопряжённые окислительно-восстановительные пары. В итоге фактически возникают две полуреакции. Одна характеризуется увеличением электронов, а другая их отдачей. Таким образом, процессы окисления и восстановления не могут протекать друг без друга и не изменять степень окисления элементов.

Ионы или атомы, забирающие электроны называют окислителями, а отдающие — их восстановителями. Сложность записи таких уравнений заключается в правильном подборе количества молей возникающих соединений. Уравнивающие коэффициенты могут принимать только целые значения. Конкурентом метода баланса в химии является способ полуреакций. Первый отличается простотой и используется в том случае, когда реакция происходит в газообразной среде. Второй же более подходит для реакций, проходящих в жидкости.

Суть метода

Способ электронного баланса предназначен для облегчения решения заданий по уравниванию двух частей уравнения. В его сути лежит возможность расстановки коэффициентов для окислительно-восстановительной реакции с использованием степени окисления. Впервые с объяснением способа знакомят в восьмом классе на уроке неорганической химии.

В школьных учебниках часто приводится следующая последовательность действий для установления балансировки в ОВР:

1. В уравнении определяют сложные и простые степени окисления.
2. Реакцию переписывают с расстановкой степени окисления. При этом вещества, в которых изменяется степень во всех связях, выделяют любым способом, например, подчёркиванием.
3. Находят окислитель, восстановитель, и в случае присутствия, нейтральный элемент.
4. Составляют уравнение баланса с выделением внутренних коэффициентов.
5. Определяют наименьшее общее кратное.
6. Подставляют вычисленные коэффициенты в уравнение.

Классический способ, с помощью которого можно уравнять химические выражения, основан на законе сохранения массы, когда методом подбора находятся коэффициенты до начала реакции и после её окончания. Но для ОВР их подобрать очень сложно или невозможно. Поэтому и используют способ электронного баланса, который подходит как для простых, так и сложных реакций.

Степени окисления

Определение коэффициентов методом баланса непосредственно связано с расстановкой валентности. Не зная, как правильно выполнить эту операцию, уравнять ОВР будет невозможно. Под окислением элемента понимается значение заряда его атома. Этот ион может быть условным или реальным.

Существует несколько видов химических связей. Одними из них могут быть ковалентная и ионная. И в том, и другом случае между атомами образовывается пара. В первом случае пара смещается в сторону отрицательно заряженного атома, а во втором полностью переходит к более электроотрицательной частице. Поэтому под реальным зарядом понимается процесс, характеризующийся ионной связью, а условным — возникновение заряда при ковалентной.

Например, ионное соединение NaCl = Na 1+ + Cl 1- . Атом натрия имеет один электрон, который в ионном соединении полностью переходит к более отрицательному атому. То есть, электрон натрия отдаётся полностью атому хлора. При этом атом, утратив один ион, приобретает заряд равный один плюс. Хлор же, получая дополнительный электрон, меняет заряд на один минус.

В химии принято заряды обозначать сначала цифрой, а после ставить знак, а степень окисления наоборот. Поэтому правильной записью с указанием валентности для рассматриваемого примера будет выражение вида: Na +1 Cl -1 .

Для ковалентной полярной связи, например, молекулы HCl, общая электронная пара лишь смещается в сторону хлора. На атомах возникают частичные дельта-плюс и минус заряды. Но при расстановке значений на это внимания не обращают. Атом водорода полностью отдаёт свой электрон атому хлора. Соответственно, степень будет выглядеть как H +1 Cl -1 .

Следует помнить, что существуют элементы, которые всегда имеют постоянную валентность:

1. Первую — щелочные металлы и фтор.
2. Вторую — металлы II группы, главной подгруппы и кислород.
3. Третью — алюминий.

Остальные же вещества характеризуются переменной валентностью. При описании реакции характерно выделение и гидроксильной группы. Для соединения ОН значение ионов указывается единым. Например, Na +1 (OH) -1 . Проверку правильности расстановки зарядов можно выполнить по правилу электронейтральности, согласно которому сумма положительных электронов должна быть равна сумме отрицательных.

Простой расчёт

Разобраться в сути способа поможет простой пример. Пусть необходимо расставить коэффициенты в реакции соединения оксида меди с азотной кислотой. Первым делом необходимо записать схему сложения: CuO + NH3 = Cu + N2 +H2O. Теперь нужно расставить валентность для каждого элемента. Делать это следует внимательно, ведь от того, насколько верно будет указана валентность, зависит правильность дальнейших действий.

Опираясь на таблицу Менделеева можно утверждать, что правильная степень окисления будет выглядеть для рассматриваемого выражения следующим образом: Cu +2 O -2 + N -3 H +1 3 = Cu 0 + N 0 2 +H +1 2O -2 . Теперь нужно отметить те элементы, которые поменяли свою валентность. Это медь, была +2, а стала 0, и азот, изменивший своё значение с -3 до 0.

На третьем шаге выписывают схемы уравнений полуреакций, изменивших окисление:

1. Cu +2 — Cu 0 . Эта запись говорит, что два электрона были приняты медью и она стала нулевой. Обозначают этот процесс записью вида +2 e.
2. 2N -3 — N 0 2. Тут следует обратить внимание на то, что при составлении полуреакций для молекул простых веществ обязательно следует указывать индексы. В рассматриваемом случае это двойка. Соответственно, такие выражения следует тоже уравнять. Поэтому в левой части ставится коэффициент два. Анализируя полуреакцию, можно прийти к выводу, что было -6 атомов, а стало ноль. То есть азот отдал шесть электронов. Записывается это как -6 e.

Закон сохранения заряда говорит о том, что электроны не могут взяться ниоткуда и пропасть никуда. Иными словами, какое их количество отдал восстановитель, то же их число должно быть принято окислителем.

В рассматриваемом примере получается, что два электрона были приняты, а шесть отданы. Так не бывает, поэтому нужно найти, где же потерялась разница. Для полученных чисел ищется наименьший общий знаменатель. Без остатка на них делится шесть. Выполнив действие, получают два опорных коэффициента: три и один. Таким образом, перед медью нужно поставить тройку, а азотом единицу: 3Cu +2 O -2 + 2N -3 H +1 3 = 3Cu 0 + N 0 2 +H +1 2O -2 .

Опираясь на полученные значения, проводят стандартную процедуру уравнивания: 3Cu +2 O -2 +2N -3 H +1 3 = 3Cu 0 + N 0 2 + 3H +1 2O -2 . Задача считается выполненной. Пожалуй, ещё можно указать, что медь в уравнении является окислителем, а азот — восстановителем.

Пример сложного соединения

Научившись решать простые задания можно переходить к формулам и сложнее. Например, соединению бромида и перманганата калия с серной кислотой. Схема реакции будет выглядеть следующим образом: KBr + KMnO4 + H2SO4 → MnSO4 + Br2 + K2SO4 + H2O.

Согласно правилу, нужно расставить ионны для каждого элемента: K +1Br+1 + K +1 Mn +7 O -2 4 + H +1 2S +6 O -2 4 → Mn +2 S +6 O -2 4 + Br02 + K +1 2 S +6 O -2 4 + H +1 2O -2 . В уравнении только два элемента изменили степень. Это марганец, который был +7, а стал +2, и бром, поменявший свою валентность с -1 до нуля.

Составляя уравнения полуреакций, проводят анализ. Марганец до реакции был + 7, то есть до нулевого значения ему не хватало семь единиц. После реакции же он стал +2, а значит, до нуля стало не хватать два электрона. Исходя из этого, можно утверждать, что марганец принял пять электронов: +5e.

Вторая полуреакция состоит из брома. Был он в степени -1, а стал в нулевой. При этом индекс у него стал два. Значит, первоначально в реакцию должны были вступить два атома брома. Следовательно, в исходном состоянии было 2*(-1) = -2 электрона, а после стало ноль. То есть бром отдал два электрона: — 2e.

Интересной особенностью метода является закономерность, что при составлении полуреакций в обязательном порядке в одной из них будут отдаваться электроны, а в другой забираться. Полученные уравнения будут иметь следующий вид:

Mn +7 — Mn +2 |+5e |5.

2Br -1 — Br 0 2 |-2e |2.

Для продолжения решения полученные цифры нужно привести к общему знаменателю. В качестве уравнителя здесь будет число десять. Разделив на него количество электронов, находят два опорных коэффициента. Для марганца это будет двойка, а брома — пятёрка.

Полученные числа подставляют в уравнение:

2KBr + 10KMnO4 + H2SO4 → 5 Br2 + 2MnSO4+ K2SO4 + H2O.

Перед бромом должна стоять пятёрка, а вот перед бромом два следует поставить уже десятку. Проверяем, в левой части десять ионов брома вступило в реакцию и десять получилось в прореагирующей части. Возле марганца ставим двойку, соответственно, изменяется и количество калия. В левой части получается 12 атомов, а в правой только два. Поэтому справа возле калия нужно поставить шесть. Аналогично уравнивают серу, водород и кислород.

В итоге полным правильным уравнением будет следующая химическая формула: 2KBr + 10KMnO4 + 8H2SO4 → 5 Br2 + 2MnSO4+ 6K2SO4 + 8H2O. Полученное выражение дальше править уже не нужно. Глядя на него можно утверждать, что марганец является окислителем, а бром восстановителем.

Использование онлайн-калькулятора

В интернете существуют сервисы, использование которых позволяет не только быстро выполнить уравнивание химических уравнений, но и получить нужные знания для самостоятельных вычислений. Называются они химическими онлайн-калькуляторами. Метод электронного баланса сам по себе несложен, но порой составление полуреакций может занять длительное время. Поэтому даже опытные пользователи прибегают к их помощи.

Эти порталы привлекательны тем, что решить поставленную задачу на них сможет даже тот, кто совершенно не разбирается в химии. Доступны онлайн-калькуляторы любому, кто имеет доступ к интернету.

От пользователя требуется загрузить сайт, ввести в предоставленную форму уравнение и кликнуть по меню «Рассчитать». Через две — три секунды система выдаст правильный ответ. При этом услуга предоставляется бесплатно и без ограничений.

Технологические расчеты в химической технологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Методические указания к практическим занятиям по

по дисциплине «Общая химическая технология»

для студентов специальности

240801 «Машины и аппараты химических производств»

редакционно-издательским советом Саратовского государственного

Саратов – 2010

Регулируя параметры технологического режима, инженер-техно­лог управляет действующим производством, добиваясь наиболее рационального использования сырья, максимального выхода гото­вого продукта и наибольшей производительности реакционной ап­паратуры.

Технологические расчеты, как правило, начинаются с выбора метода производства, поскольку в задании на проектиро­вание обычно указывается общая мощность будущего завода или цеха.

После выбора метода производства технолог приступает к со­ставлению технологической схемы, которая включает в себя все основные аппараты и коммуникации между ними, а также транс­портные линии подачи сырья и готовой продукции. В основу нового производства всегда закладываются самые прогрессивные, интенсивные, высокопроизводительные аппараты, имеющие к тому же большой срок службы, простые в обслуживании и выполненные по возможности из легкодоступных, дешевых конструкционных материалов.

Составив технологическую схему производства и определив ос­новные направления потоков сырья, полупродуктов или полуфаб­рикатов, а также готовой продукции, приступают к составлению материального и энергетического балансов.

1. РАСЧЕТЫ РАСХОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

Расходные коэффициенты — величины, характеризующие рас­ход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу вырабатываемой продукции. При конструировании ап­паратов и определении параметров технологического режима за­даются также условия, при которых рационально сочетаются высокая интенсивность и производительность процесса с высоким качеством продукции и возможно более низкой себестоимостью.

Пример 1. Определить теоретические расходные коэффициенты для следующих железных руд в процессе выплавки чугуна, со­держащего 92% Fe, при условии, что руды не содержат пустой породы и примесей:

Шпатовый железняк FeCO3

Красный железняк Fe2O3

Магнитный железняк Fe3O4

Из 1 кмоль FeCO3 можно получить 1 кмоль Fe или из 115,8 кг FeCO3 — 55,9 кг Fe. Отсюда для получения 1 т чугуна с содержа­нием Fe 92% (масс) необходимо:

т

Аналогично находим значения теоретических расходных коэф­фициентов для других руд:

т

т

т

т

Пример 2. Рассчитать расходный коэффициент для природного газа, содержащего 97% (об.) метана в производстве уксусной кислоты (на 1 т) из ацетальдегида. Выход ацетилена из метана составляет 15% от теоретически возможного, ацетальдегида из ацетилена — 60%, а уксусной кислоты из ацетальдегида 90% (масс).

Уксусная кислота получается из метана многостадий­ным методом. Схематично процесс может быть описан следующими, последовательно протекающими реакциями:

Молекулярная масса: С2Н2 — 26; СН3СНО — 44; СН3СООН — 60; СН4- 16.

Теоретический расход метана на 1 т уксусной кислоты со­ставит:

кг

с учетом выхода продукта по стадиям

кг

см3 СН4

м3 природного газа

Пример 3. Определить количество аммиака, требуемое для производства 100000 т/год азотной кислоты, и расход воздуха на окисление аммиака (в м3/ч), если цех работает 355 дней в году, выход окиси азота Х1 = 0,97%, степень абсорбции Х2 = 0,92, а содержание аммиака в сухой аммиачно-воздушной смеси — 7,13% (масс).

Окисление аммиака является первой стадией полу­чения азотной кислоты из аммиака. По этому методу аммиак окисляется кислородом воздуха в присутствии платинового ката­лизатора при 800-900°С до окислов азота. Затем, полученная окись азота окисляется до двуокиси, а последняя поглощается водой с образованием азотной кислоты. Схематично процесс
можно изобразить следующими уравнениями:

Для материальных расчетов можно в первом приближение записать суммарное уравнение этих трех стадий в виде:

Молекулярная масса: NH3 -17; HNO3 -63.

Необходимое количество аммиака для получения 100000 т HNO3 с учетом степени окисления и степени абсорбции составит:

т

Расход аммиака составит:

кг/ч

Объем аммиака составит:

м3

Расход воздуха (в м3/ч), требуемый для окисления (в составе аммиачно-воздушной смеси), будет равен

м3

где 11,5 — содержание NH3 в смеси в % (об), то есть

2. СТЕХНОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Расчеты технологических процессов, в результате которых происходит химическое изменение вещества, основаны на стехиометрических законах: законе постоянства состава и законе кратных отношений, которые выражают собой взаимное отноше­ние атомов и молекул при их химическом взаимодействии друг с другом.

Согласно закону постоянства состава, любое вещество, каки­ми бы способами его ни получали, имеет вполне определенный, постоянный состав.

Закон кратных отношений состоит в том, что при образовании какого-либо простого или сложного вещества элементы в его молекулу входят в количествах, равных или кратных их атомной массе. Если же отнести этот закон к объемам вступаю­щих в реакцию веществ, то он примет следующую формулиров­ку: если вещества вступают в химическую реакцию в газообраз­ном состоянии, то они при одинаковых условиях (Р и t) могут соединяться только в объемах, которые относятся между собой как целые числа.

Пример 4. Химический анализ природного известняка пока­зал следующее: из навески 1,0312 г путем ее растворения, после­дующего осаждения ионов Са2+ щавелевокислым аммонием и прокаливания осадка СаС2О4 получено 0,5384 г СаО; из навески 0,3220 г путем разложения кислотой получено 68,5 см3 СО2 (при­веденных к нормальным условиям). Подсчитать содержание уг­лекислого кальция и магния в известняке, если весь кальций в нем находится в виде СаСО3, а угольная кислота — в виде кар­бонатов кальция и магния.

Молекулярная масса СаО — 56,08; СО2 — 44,0; СаСО,1 и MgCO3 — 84,32. Мольный объем СО2 22,26 м3/кмоль (22260 см3/кмоль). По данным анализа, из 100 г природного из­вестняка получено

моль СаО

моль СО2

Отсюда следует, что в 100 г известняка содержится 0,931 моль, или 0,931×100,1=93,2 г СаСО3. На это количество СаСО3 выделится при разложении 0,931 моль СО2. Остальные 0,956-0,931 = 0,025 моль СО2 связаны в известняке в виде MgCO3. Следовательно, в 100 г известняка содержится 0,025-84,32 = 2,1 г MgCO3. Таким образом, природный извест­няк содержит: 93,2% СаСО3, 2,1% MgCO3 и 4,7°/0 пустой породы.

3. МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества:

во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции.

Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию — приход, равна массе всех ве­ществ, получившихся в результате ее, — расходу.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и мате­риалов, поступающих на переработку, а правую — масса полу­чаемых продуктов плюс производственные потери:

Smисх = Smкон + Smпот (1)

В процессе не всегда присутствуют все фазы, в одной фазе может содержаться несколько веществ, что приводит к упрощению или усложнению уравнения (1).

Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции. Для его составления достаточно знать уравнение реакции и молекулярные массы компонентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери сырья и готового продукта и т. д.

Из данных материального баланса можно найти расход сырья и вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, предприятия, себестоимость продукции, выходы продуктов, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные по­тери (непроизводительный расход сырья, материалов, готового продукта на разлив, утечку, унос).

Расчеты обычно выполняют в единицах массы (кг, т); можно вести расчет в молях. Только для газовых реакций, идущих без изменения объема, в некоторых случаях, возможно ограничиться составлением баланса в кубических метрах.

Результаты подсчетов материального баланса сводятся в таблицу 1.