توازن المادة: معادلة عامة ، أنواع وممارسة

توازن المواد هو عدد المكونات التي تنتمي إلى نظام أو عملية قيد الدراسة. يمكن تطبيق هذا التوازن تقريبًا على أي نوع من النظام ، حيث يفترض أن مجموع كتل هذه العناصر يجب أن يظل ثابتًا في أوقات قياس مختلفة.

يمكن فهمه على أنه مكون من الرخام والبكتيريا والحيوانات والسجلات والمكونات اللازمة لكعكة ؛ وفي حالة الكيمياء ، الجزيئات أو الأيونات ، أو بشكل أكثر تحديدًا ، المركبات أو المواد. بعد ذلك ، يجب أن تظل الكتلة الكلية للجزيئات التي تدخل في نظام ، مع أو بدون تفاعل كيميائي ، ثابتة ؛ طالما لا توجد خسائر بسبب الرحلة.

في الممارسة العملية ، هناك مشاكل لا حصر لها يمكن أن تؤثر على توازن المادة ، بالإضافة إلى مراعاة العديد من ظواهر المسألة وتأثير العديد من المتغيرات (درجة الحرارة ، الضغط ، التدفق ، التحريض ، حجم المفاعل ، إلخ).

على الورق ، ومع ذلك ، يجب أن تتزامن حسابات توازن المواد ؛ وهذا يعني أن كتلة المركبات الكيميائية يجب ألا تختفي في أي وقت. صنع هذا التوازن مماثل لوضع كومة من الصخور في حالة توازن. إذا خرجت إحدى الجماهير عن مكانها ، فسوف ينهار كل شيء ؛ في هذه الحالة ، فهذا يعني أن الحسابات خاطئة.

المعادلة العامة لتوازن المواد

في أي نظام أو عملية يجب أن تحدد أولاً ما هي حدودها. من بينها ، سيتم معرفة المركبات التي تدخل أو تخرج. من المريح القيام بذلك خاصةً إذا كانت هناك وحدات متعددة من العمليات يجب مراعاتها. عند النظر في جميع الوحدات أو النظم الفرعية ، تتم مناقشة توازن المسألة العامة.

هذا التوازن له معادلة ، والتي يمكن تطبيقها على أي نظام يطيع قانون الحفاظ على الكتلة. المعادلة هي التالية:

E + G - S - C = A

حيث E هي مقدار المادة التي تدخل النظام ؛ G هو ما يتولد في حالة حدوث تفاعل كيميائي في العملية (كما في المفاعل) ؛ S هو ما يخرج من النظام ؛ C هو ما يستهلك ، مرة أخرى ، إذا كان هناك رد فعل ؛ وأخيرا ، A هو ما يتراكم .

تبسيط

إذا لم يكن هناك تفاعل كيميائي في النظام أو العملية التي يتم دراستها ، فإن G و C تساوي صفراً وبالتالي ، تبقى المعادلة كما يلي:

E - S = A

إذا كان النظام أيضًا في حالة ثابتة ، دون تغييرات ملحوظة في متغيرات أو تدفقات المكونات ، يُقال إنه لا يوجد شيء يتراكم في الداخل. لذلك ، A تساوي صفر ، وتنتهي المعادلة لتصبح مبسطة أكثر:

E = S

وهذا يعني أن كمية المواد التي تدخل تساوي الكمية التي تخرج. لا شيء يمكن أن يضيع أو يختفي.

من ناحية أخرى ، إذا كان هناك تفاعل كيميائي ، ولكن النظام في حالة ثابتة ، فإن G و C سيكون لهما قيمتان وسيظل A صفراً:

E + G - S - C = 0

E + G = S + C

بمعنى أن كتلة الكواشف التي تدخلها والمنتجات التي تولدها في المفاعل تساوي كتلة المنتجات والكواشف التي تخرج ، بالفعل الكواشف المستهلكة.

مثال على استخدامه: الأسماك في النهر

لنفترض أنك تدرس عدد الأسماك الموجودة في النهر ، والتي تمثل ضفافها حدود النظام. من المعروف أنه في المتوسط ​​568 سمكة تدخل في السنة ، يولد 424 سم (يولد) ، ويموت 353 (يستهلك) ، و 236 يهاجرون أو يغادرون.

بتطبيق المعادلة العامة لدينا:

568 + 424 - 353 - 236 = 403

وهذا يعني أن 403 سمكة تتراكم سنويًا في النهر ؛ وهذا يعني ، في كل عام يتم تخصيب النهر من الأسماك. إذا كانت قيمة A سالبة ، فهذا يعني أن عدد الأسماك يتناقص ، وربما إلى تأثيرات بيئية سلبية.

نوع

من المعادلة العامة ، يمكنك أن تعتقد أن هناك أربع معادلات لأنواع مختلفة من العمليات الكيميائية. ومع ذلك ، يتم تقسيم توازن المواد إلى نوعين وفقًا لمعايير أخرى: الوقت.

التوازن التفاضلي

في توازن المواد التفاضلية لديك كمية المكونات داخل النظام في وقت معين أو لحظة معينة. يتم التعبير عن كميات الكتلة المذكورة بوحدات زمنية ، وبالتالي تمثل سرعات ؛ على سبيل المثال ، كجم / ساعة ، تشير إلى عدد الكيلومترات التي تدخل أو تغادر أو تتراكم أو تولد أو تستهلك في ساعة واحدة.

لكي يكون هناك كتلة (أو حجمية ، مع كثافة في متناول اليد) ، يجب أن يكون النظام مفتوحًا بشكل عام.

توازن متكامل

عندما يكون النظام مغلقًا ، كما يحدث مع التفاعلات المنفذة في المفاعلات المتقطعة (نوع الدُفعة) ، تكون كتل مكوناته عادة أكثر إثارة للاهتمام قبل العملية وبعدها ؛ وهذا هو ، بين الأوقات ر الأولية والنهائية.

لذلك ، يتم التعبير عن الكميات على أنها مجرد كتل وليست سرعات. يتم إجراء هذا النوع من التوازن عقلياً عند استخدام الخلاط: كتلة المكونات التي تدخل يجب أن تكون مساوية لما يتبقى بعد إيقاف تشغيل المحرك.

مثال التمرين

من المرغوب فيه تخفيف تدفق محلول الميثانول بنسبة 25 ٪ في الماء ، مع تركيز آخر من تركيز بنسبة 10 ٪ ، أكثر مخففة ، بحيث يتم توليد 100 كجم / ساعة من محلول الميثانول بنسبة 17 ٪. ما مقدار كلاً من محاليل الميثانول ، البالغة 25 و 10٪ ، التي يجب أن تدخل النظام في الساعة لتحقيق ذلك؟ افترض أن النظام في حالة مستقرة

يوضح المخطط التالي البيان:

لا يوجد تفاعل كيميائي ، لذا فإن كمية الميثانول التي تدخل يجب أن تكون مساوية للكمية الناتجة:

الميثانول = S الميثانول

0.25 ن 1 · + 0.10 ن 2 · = 0.17 ن 3 ·

فقط قيمة n 3 · معروفة. الباقي مجهول. لحل هذه المعادلة بين مجهولين ، هناك حاجة إلى توازن آخر: توازن الماء. ثم تحقيق التوازن نفسه للمياه لديك:

0.75 ن 1 · + 0.90 ن 2 · = 0.83 ن 3 ·

يتم مسح قيمة n 1 · للمياه (يمكن أيضًا أن تكون n 2 ·):

ن 1 · = (83 كجم / ساعة - 0.90 ن 2 ·) / (0.75)

استبدال ثم n 1 · في معادلة توازن المادة للميثانول ، وحل لـ n 2 · لدينا:

0.25 [(83 كجم / ساعة - 0.90 ن 2 ·) / (0.75)] + 0.10 ن 2 · = 0.17 (100 كجم / ساعة)

ن 2 · = 53.33 كجم / ساعة

وللحصول على n 1 · قم ببساطة بطرح:

ن 1 · = (100- 53.33) كجم / ساعة

= 46.67 كجم / ساعة

لذلك ، يجب أن تدخل الساعة إلى نظام 46.67 كجم من محلول الميثانول بنسبة 25 ٪ ، و 53.33 كجم من محلول 10 ٪.