7. Организация материи на химическом уровне
7.1. Общие сведения
В процессе химических реакций происходит превращение одних веществ в другие, отличные по химическому составу и строению. Химические реакции классифицируют по числу молекул, участвующих в элементарном акте ( моно-, бимолекулярные), кинетическому механизму ( последовательные, параллельные, сопряженные), характеру химического процесса ( разложение, окисление, полимеризация) и т.п. Гомогенные химические реакции протекают в объеме фаз, а гетерогенные – на поверхности раздела фаз.
При образовании или разрушении молекул в результате химических реакций происходит только перестройка внешних электронных оболочек атомов. При этом атомные ядра не подвергаются трансформации, т.к. энергия химических реакций недостаточна для изменения структуры атомных ядер, т.е. для осуществления ядерных реакций.
В результате химических реакций число атомов химического элемента, входящих в состав молекулы, не изменяется.
Это определяет основной закон сохранения массы вещества в химическом процессе: суммарная масса реагентов равна сумме продуктов реакции. Основное условие – замкнутость системы.
В замкнутой системе полная энергия есть величина постоянная. Эти утверждения или законы и легли в основу составления материального и теплового балансов химической реакции.
Методика решения комбинированной задачи (химическая форма движения) состоит из составления материального и теплового балансов:
Материальный баланс.
Если происходит химическое взаимодействие, выражаемое химическим уравнением, то материальный баланс можно составить, пользуясь правилом пропорций и, имея молекулярные массы участвующих веществ и продуктов реакции. Из таких химических уравнений можно определить расходы сырья, основных материалов или, наоборот, по расходу сырья вычислить расходы получаемых продуктов с учетом степени превращения, выхода продукта селективности.
Результаты расчетов сводятся в таблицу материального баланса в колонки прихода и расхода материалов.
В приходной и расходной частях таблицы заполняются колонки в размерностях массового расхода (т/час, кг/с) и % (процентная доля) от всего количества реагентов, т.е. находится % каждой составляющей прихода (расхода) от всего прихода (расхода). Суммируя все эти проценты, мы должны получить в итоге 100%. Для газообразных продуктов рассчитываем объемные расходы, учитывая термодинамические параметры и уравнения состояния идеального газа.
Тепловой баланс предполагает расчет тепловых потоков реагентов и продуктов реакции, теплового эффекта реакции, тепловых потерь и необходимого количества теплоносителя для поддержания постоянных условий реакции. В основе расчетов лежат законы сохранения энергии, теорема Гесса и уравнения Кирхгоффа для определения энтальпии преобразования и изменения теплоемкости реагентов. Рассчитанные величины вносятся в таблицу теплового баланса, а затем корректируется таблица материального баланса на величину используемого теплоносителя.
В ядерных реакциях при столкновении ядер между собой или с элементарными частицами, а также при распадах ядер происходят превращения атомных ядер, т.к. энергия ядерных реакций во много раз больше энергии химических. Вместе с тем в ядерных реакциях выполняются законы сохранения электрического заряда, барионного числа. Барионное число атомных ядер равно его массовому числу, т.е. общему числу нуклонов в ядре. Барионное число электрона равно 0, протона и нейтрона =+1 ( для их античастиц = -1 ). Суммарный электрический заряд ядра определяется числом протонов в нем и выражается зарядовым числом Z, которое равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Зарядовое число изотопа обычно пишут слева от химического символа элемента ( левый нижний индекс), а массовое число – справа ( правый верхний индекс), например 8О16 ( кислород -16).
Радиус ядра R = 1.23 ∙ 10-15 ∙ A1/3 м.
Энергия связи любого изотопа ∆W = c2 ∙ ∆m, где с - скорость света в вакууме; ∆m - дефект массы, определяемый разностью между массой частиц, составляющих ядро, и массой самого ядра, т.е.
∆m = Z ∙ mp + ( A – Z ) ∙ mn – mя ,
где mp – масса протона, mn – масса нейтрона, mя – масса ядра.
Так как mя = mA - Z ∙ me , где mA - масса изотопа и me – масса электрона, то формулу для дефекта масс можно записать следующим образом: ∆m = Z ∙ m 1H1+ ( A – Z ) ∙ mn – mA , где m 1H1 – масса изотопа водорода 1H1 и mA – масса данного изотопа.
Изменение энергии при ядерной реакции определяется соотношением:
∆W = c2 ∙ ( ∑ m1 - ∑ m2 ),
где ∑ m1 - сумма масс частиц до реакции и ∑ m2 - сумма масс частиц после реакции. Если ∑ m1 > ∑ m2 , то реакция идет с выделением энергии, при обратном соотношении ∑ m1 < ∑ m2 энергия поглощается.
Закон радиоактивного распада N = N0 ∙ e-λt , где N0 - число радиоактивных атомов в начальный момент времени ( t=0 ), λ - постоянная радиоактивного распада.
Активностью α радиоактивного изотопа называется произведение числа радиоактивных атомов на постоянную распада: α = λ ∙ N . Активность определяет число распадов в единицу времени и уменьшается со временем по закону радиоактивного распада. Постоянная распада имеет смысл вероятности распада отдельного атома в единицу времени, а обратная ее величина τ = 1 / λ определяет среднее время жизни отдельного радиоактивного атома. Период полураспада Т свзан с постоянной распада соотношением: λ = ln 2 / T ( ln 2 = 0.693 ).
Альфа – распад происходит по следующей схеме:
zXA → z-2YA-4 + 2He4 ;
Бета – распад с выделением электронов идет по другой схеме:
zXA → z+1YA + -1e0.
В ядерной физике в качестве единицы массы применяется атомная единица массы (а.е.м.); 1 а.е.м. = 1.66 ∙ 10-27 кг = 932 МэВ.
7.2. Примеры решения задач
Задача 7.2.1. В процессе реакционной плавки свинца происходит реакция между сульфидом и сульфатом свинца, т.е. Pb S + Pb SO4 = … + 2 SO2 . Написать недостающее обозначение в данной химической реакции. Какое вещество получается в результате данной реакции?
Решение: В химической реакции число различных атомов элементов, входящих в состав молекул химических соединений, одинаково до и после реакции. Подсчет атомов серы и кислорода в химических соединениях до и после данной реакции показывает, что их число не изменилось. В данной реакции образуется два атома свинца. Следовательно, формула реакции имеет вид: Pb S + Pb SO4 = 2 Pb + 2 SO2 .
В результате реакционной плавки образуется чистый свинец.
Задача 7.2.2. С изотопом плутония 94Pu239 происходит альфа – распад:
94Pu239 → 92U235 + 2He4 .
При данном распаде освобождается энергия, большая часть которой составляет кинетическую энергию альфа-частиц. Часть этой энергии остается у ядер урана, которые отдают ее, испуская гамма-излучение. Определите скорость, с которой вылетают альфа-частицы при распаде 94Pu239 , если считать, что гамма-излучение уносит 0.09 МэВ энергии. Массы изотопов, участвующих в реакции: mPu = 239.15122 a.e.m., mU = 235.0299 a.e.m., mHe = 4.0026 a.e.m.
Решение: Изменение массы при распаде изотопа плутония ∆m = mPu – ( mU + mHe) . После подстановки численных значений получим: ∆m = 0.00563 а.е.м. Освобождающаяся энергия
∆Е = с2 ∙ ∆m. После перехода к единицам энергии - МэВ, имеем:
∆Е = 0.00563 а.е.м. ∙ 931. МэВ/а.е.м. = 5.24 МэВ.
К альфа-частицам переходит часть энергии: ЕНе = 5.24 МэВ – 0.09 МэВ = 5.24 МэВ = 5.15 ∙ 1.6 ∙ 10-13 Дж. ( 1 МэВ = 1.6 ∙ 10-13 Дж).
Из формулы для кинетической энергии: mHe ∙ v2 / 2 = EHe находим скорость v альфа частиц: v =( 2 ∙ EHe / mHe )1/2 = 1.58 ∙ 107 м/с.
Задача 7.2.3. Составить материальный и тепловой балансы для химического процесса. Определить количество теплоносителя. Реакция имеет вид: CH4 → C + H2
Расход метана = 100 м3 / с.
Степень превращения = 60%;
Потери сырья, водорода и тепла = 10%;
Потери углерода = 2%;
Температура сырья = 25 С;
Температура реакции = 1450 С;
Удельная теплота фазового перехода теплоносителя = 1000кдж/кг.
Теплофизические характеристики:
Таблица 7.2.1
Вещество
|
Энтальпия
Образования
|
Cp = a + b·T+c/T2
|
a
|
b·103
|
c·10-5
|
Метан
|
-75
|
18
|
61
|
0
|
Углерод
|
0
|
17
|
4
|
0
|
Водород
|
0
|
27
|
3
|
0
|
|
Кдж/моль
|
Дж/(моль град Кельвина)
|
Решение: CH4 = C +2H2
Определяем молярный объем для продуктов реакции на основе уравнения состояния идеального газа:
Vtm = V0m * Tr / T0 = 22.4 * 1723/ 298 = 129.5 дм3;
2. Определяем массовый расход метана благодаря взаимосвязи объемного и массового расходов:
Gмет=Vмет * Mмет / V0m =100*16/22.4 = 71.43 кг/с или 257.14 тонн/час;
3. Определяем потери метана и расход метана, поданного в зону реакции:
Gпотеримет = 0.1 * 257.14 = 25.7 т/час;
Gреакмет = 257.14 – 25.7 = 231.4 т/час;
4. Определяем расход метана, подвергаемого пиролизу:
Gпирмет = 231.4 * 60 /100 = 138.8 тонн/час:
5. Определяем расход метана, не вступившего в реакцию:
Gневступметан= 231.4 – 138.8 = 92.6 тонн/час;
6. Определяем расход полученного углерода:
|
