Расчет относительных весов реагентов и продуктов в химических реакциях
Stoichiometry
Стоихиометрия: расчет соотношения весов реагентов и продуктов в химических реакциях. Закон сохранения массы и применение для вычисления количества веществ.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Расчет относительных весов реагентов и продуктов в химических реакциях
Calculation of relative weights of reactants and products in chemical reactions
Стойхиометрия (,/s//t//ɔɪ//k//i/'/ɒ//m//ᵻ//t//r//i/) – это взаимосвязь между весами реагентов и продуктов до, во время и после химических реакций. Стойхиометрия основана на законе сохранения массы, согласно которому общая масса реагентов равна общей массе продуктов, что позволяет сделать вывод о том, что соотношения между количествами реагентов и продуктов обычно выражаются отношением целых положительных чисел. Это означает, что если известны количества отдельных реагентов, то можно рассчитать количество продукта. И наоборот, если известно количество одного реагента и количество продуктов можно определить экспериментально, то можно рассчитать количество других реагентов. Это иллюстрируется на изображении, где сбалансированное уравнение имеет вид:
Stoichiometry (,/s//t//ɔɪ//k//i/'/ɒ//m//ᵻ//t//r//i/) is the relationship between the weights of reactants and products before, during, and following chemical reactions. Stoichiometry is founded on the law of conservation of mass where the total mass of the reactants equals the total mass of the products, leading to the insight that the relations among quantities of reactants and products typically form a ratio of positive integers. This means that if the amounts of the separate reactants are known, then the amount of the product can be calculated. Conversely, if one reactant has a known quantity and the quantity of the products can be empirically determined, then the amount of the other reactants can also be calculated. This is illustrated in the image here, where the balanced equation is:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
|CH4 + 2 O2 > CO2 + 2 H2O
Здесь одна молекула метана реагирует с двумя молекулами кислорода с образованием одной молекулы углекислого газа и двух молекул воды. Данное химическое уравнение является примером полного сгорания. Стойхиометрия измеряет эти количественные соотношения и используется для определения количества продуктов и реагентов, которые образуются или требуются в данной реакции. Описание количественных взаимосвязей между веществами, участвующими в химических реакциях, называется реакционной стойхиометрией. В приведенном выше примере реакционная стойхиометрия измеряет взаимосвязь между количествами метана и кислорода, которые реагируют с образованием углекислого газа и воды. Благодаря известной взаимосвязи между количеством вещества (молями) и атомными массами, соотношения, полученные с помощью стойхиометрии, можно использовать для определения количеств по весу в реакции, описанной сбалансированным уравнением. Это называется композиционной стойхиометрией. Газовая стойхиометрия рассматривает реакции с участием газов, находящихся при известной температуре, давлении и объеме, которые можно считать идеальными газами. Для газов объемное соотношение в идеале соответствует закону идеального газа, но массовое соотношение в отдельной реакции необходимо рассчитывать на основе молекулярных масс реагентов и продуктов. На практике, из-за существования изотопов, для расчета массового соотношения вместо молекулярных масс используются молярные массы.
Here, one molecule of methane reacts with two molecules of oxygen gas to yield one molecule of carbon dioxide and two molecules of water. This particular chemical equation is an example of complete combustion. Stoichiometry measures these quantitative relationships, and is used to determine the amount of products and reactants that are produced or needed in a given reaction. Describing the quantitative relationships among substances as they participate in chemical reactions is known as reaction stoichiometry. In the example above, reaction stoichiometry measures the relationship between the quantities of methane and oxygen that react to form carbon dioxide and water. Because of the well known relationship of moles to atomic weights, the ratios that are arrived at by stoichiometry can be used to determine quantities by weight in a reaction described by a balanced equation. This is called composition stoichiometry. Gas stoichiometry deals with reactions involving gases, where the gases are at a known temperature, pressure, and volume and can be assumed to be ideal gases. For gases, the volume ratio is ideally the same by the ideal gas law, but the mass ratio of a single reaction has to be calculated from the molecular masses of the reactants and products. In practice, because of the existence of isotopes, molar masses are used instead in calculating the mass ratio.
Этимология
Термин стехиометрия впервые был использован Иеремиасом Бенджамином Рихтером в 1792 году, когда был опубликован первый том его труда «Anfangsgründe der Stöchyometrie, oder Messkunst chymischer Elemente» (Основы стехиометрии, или искусство измерения химических элементов). Этот термин происходит от древнегреческих слов *stoikeion*, означающего «элемент», и *metron*, означающего «мера».
The term stoichiometry was first used by Jeremias Benjamin Richter in 1792 when the first volume of Richter's Anfangsgründe der Stöchyometrie, oder Messkunst chymischer Elemente (Fundamentals of Stoichiometry, or the Art of Measuring the Chemical Elements) was published. The term is derived from the Ancient Greek words stoikeion "element" and metron "measure".
Стойхиометрические соотношения воздуха и топлива обычных видов топлива
В реакции сгорания кислород реагирует с топливом, и точка, где весь кислород полностью израсходован, а всё топливо сгорело, определяется как стехиометрическая точка. При избытке кислорода (сверхстехиометрическое сгорание) часть его остаётся не прореагировавшей. Аналогично, если сгорание неполное из-за недостатка кислорода, топливо остаётся не сгоревшим. (Несгоревшее топливо может оставаться также из-за медленного сгорания или недостаточного смешивания топлива и кислорода – это не связано со стехиометрией.) Различные углеводородные топлива имеют разное содержание углерода, водорода и других элементов, поэтому их стехиометрия различается. Кислород составляет лишь 20,95% объема воздуха и 23,20% его массы. Отношения воздух/топливо, указанные ниже, значительно выше, чем соответствующие отношения кислород/топливо из-за высокого содержания инертных газов в воздухе.
In the combustion reaction, oxygen reacts with the fuel, and the point where exactly all oxygen is consumed and all fuel burned is defined as the stoichiometric point. With more oxygen (overstoichiometric combustion), some of it stays unreacted. Likewise, if the combustion is incomplete due to lack of sufficient oxygen, fuel remains unreacted. (Unreacted fuel may also remain because of slow combustion or insufficient mixing of fuel and oxygen – this is not due to stoichiometry.) Different hydrocarbon fuels have different contents of carbon, hydrogen and other elements, thus their stoichiometry varies. Oxygen makes up only 20.95% of the volume of air, and only 23.20% of its mass. The air fuel ratios listed below are much higher than the equivalent oxygen fuel ratios, due to the high proportion of inert gasses in the air. Fuel Ratio by mass Ratio by volume Percent fuel by mass Main reaction Gasoline 14.7 : 1 6.8% |2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O Natural gas 17.2 : 1 9.7 : 1 5.8% |CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Propane (LP) 15.67 : 1 23.9 : 1 6.45% |C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O Ethanol 9 : 1 11.1% |C2H6O + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Methanol 6.47 : 1 15.6% |2 CH4O + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O n Butanol 11.2 : 1 8.2% |C4H10O + 6 O2 → 4 CO2 + 5 H2O Hydrogen 34.3 : 1 2.39 : 1 2.9% |2 H2 + O2 → 2 H2O Diesel 14.5 : 1 6.8% |2 C12H26 + 37 O2 → 24 CO2 + 26 H2O Methane 17.19 : 1 9.52 : 1 5.5% |CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Acetylene 13.26 : 1 11.92 : 1 7.0% |2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O Ethane 16.07 : 1 16.68 : 1 5.9% |2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O Butane 15.44 : 1 30.98 : 1 6.1% |2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O Pentane 15.31 : 1 38.13 : 1 6.1% |C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O
Gasoline engines can run at stoichiometric air to fuel ratio, because gasoline is quite volatile and is mixed (sprayed or carburetted) with the air prior to ignition. Diesel engines, in contrast, run lean, with more air available than simple stoichiometry would require. Diesel fuel is less volatile and is effectively burned as it is injected.
In the combustion reaction, oxygen reacts with the fuel, and the point where exactly all oxygen is consumed and all fuel burned is defined as the stoichiometric point. With more oxygen (overstoichiometric combustion), some of it stays unreacted. Likewise, if the combustion is incomplete due to lack of sufficient oxygen, fuel remains unreacted. (Unreacted fuel may also remain because of slow combustion or insufficient mixing of fuel and oxygen – this is not due to stoichiometry.) Different hydrocarbon fuels have different contents of carbon, hydrogen and other elements, thus their stoichiometry varies. Oxygen makes up only 20.95% of the volume of air, and only 23.20% of its mass. The air fuel ratios listed below are much higher than the equivalent oxygen fuel ratios, due to the high proportion of inert gasses in the air. Fuel Ratio by mass Ratio by volume Percent fuel by mass Main reaction Gasoline 14.7 : 1 6.8% |2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O Natural gas 17.2 : 1 9.7 : 1 5.8% |CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Propane (LP) 15.67 : 1 23.9 : 1 6.45% |C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O Ethanol 9 : 1 11.1% |C2H6O + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Methanol 6.47 : 1 15.6% |2 CH4O + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O n Butanol 11.2 : 1 8.2% |C4H10O + 6 O2 → 4 CO2 + 5 H2O Hydrogen 34.3 : 1 2.39 : 1 2.9% |2 H2 + O2 → 2 H2O Diesel 14.5 : 1 6.8% |2 C12H26 + 37 O2 → 24 CO2 + 26 H2O Methane 17.19 : 1 9.52 : 1 5.5% |CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Acetylene 13.26 : 1 11.92 : 1 7.0% |2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O Ethane 16.07 : 1 16.68 : 1 5.9% |2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O Butane 15.44 : 1 30.98 : 1 6.1% |2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O Pentane 15.31 : 1 38.13 : 1 6.1% |C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O
Gasoline engines can run at stoichiometric air to fuel ratio, because gasoline is quite volatile and is mixed (sprayed or carburetted) with the air prior to ignition. Diesel engines, in contrast, run lean, with more air available than simple stoichiometry would require. Diesel fuel is less volatile and is effectively burned as it is injected.
Бензиновые двигатели могут работать при стехиометрическом соотношении воздух/топливо, поскольку бензин достаточно летуч и смешивается (распыляется или карбюрируется) с воздухом перед воспламенением. Дизельные двигатели, напротив, работают обеднённо, с избытком воздуха по сравнению с простым стехиометрическим соотношением. Дизельное топливо менее летучее и эффективно сгорает по мере впрыска.
In the combustion reaction, oxygen reacts with the fuel, and the point where exactly all oxygen is consumed and all fuel burned is defined as the stoichiometric point. With more oxygen (overstoichiometric combustion), some of it stays unreacted. Likewise, if the combustion is incomplete due to lack of sufficient oxygen, fuel remains unreacted. (Unreacted fuel may also remain because of slow combustion or insufficient mixing of fuel and oxygen – this is not due to stoichiometry.) Different hydrocarbon fuels have different contents of carbon, hydrogen and other elements, thus their stoichiometry varies. Oxygen makes up only 20.95% of the volume of air, and only 23.20% of its mass. The air fuel ratios listed below are much higher than the equivalent oxygen fuel ratios, due to the high proportion of inert gasses in the air. Fuel Ratio by mass Ratio by volume Percent fuel by mass Main reaction Gasoline 14.7 : 1 6.8% |2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O Natural gas 17.2 : 1 9.7 : 1 5.8% |CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Propane (LP) 15.67 : 1 23.9 : 1 6.45% |C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O Ethanol 9 : 1 11.1% |C2H6O + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Methanol 6.47 : 1 15.6% |2 CH4O + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O n Butanol 11.2 : 1 8.2% |C4H10O + 6 O2 → 4 CO2 + 5 H2O Hydrogen 34.3 : 1 2.39 : 1 2.9% |2 H2 + O2 → 2 H2O Diesel 14.5 : 1 6.8% |2 C12H26 + 37 O2 → 24 CO2 + 26 H2O Methane 17.19 : 1 9.52 : 1 5.5% |CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Acetylene 13.26 : 1 11.92 : 1 7.0% |2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O Ethane 16.07 : 1 16.68 : 1 5.9% |2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O Butane 15.44 : 1 30.98 : 1 6.1% |2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O Pentane 15.31 : 1 38.13 : 1 6.1% |C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O
Gasoline engines can run at stoichiometric air to fuel ratio, because gasoline is quite volatile and is mixed (sprayed or carburetted) with the air prior to ignition. Diesel engines, in contrast, run lean, with more air available than simple stoichiometry would require. Diesel fuel is less volatile and is effectively burned as it is injected.