- Phương trình tổng quát của cân bằng khối lượng
- Đơn giản hóa
- Ví dụ sử dụng: cá ở sông
- Các loại
- Số dư chênh lệch
- Sự cân bằng toàn diện
- Bài tập ví dụ
- Người giới thiệu
Cân bằng vật chất là số lượng các thành phần thuộc một hệ thống hoặc quá trình đang nghiên cứu. Sự cân bằng này có thể được áp dụng cho hầu hết mọi loại hệ thống, vì giả định rằng tổng khối lượng của các phần tử đó phải không đổi tại các thời điểm đo khác nhau.
Thành phần có thể hiểu là viên bi, vi khuẩn, động vật, gỗ, nguyên liệu làm bánh; và trong trường hợp hóa học, các phân tử hoặc ion, hoặc cụ thể hơn là các hợp chất hoặc chất. Khi đó, tổng khối lượng của các phân tử tham gia vào một hệ, có hoặc không có phản ứng hóa học, phải không đổi; miễn là không có tổn thất rò rỉ.
Đống đá: một ví dụ theo nghĩa đen của vật chất cân bằng. Nguồn: Pxhere.
Trong thực tế, có vô số vấn đề có thể ảnh hưởng đến sự cân bằng của vật chất, ngoài việc tính đến các hiện tượng khác nhau của vật chất và ảnh hưởng của nhiều biến số (nhiệt độ, áp suất, dòng chảy, sự kích động, kích thước của lò phản ứng, v.v.).
Tuy nhiên, trên giấy tờ, các phép tính cân bằng khối lượng phải phù hợp; nghĩa là khối lượng của các hợp chất hóa học không được biến mất bất cứ lúc nào. Lấy sự cân bằng này tương tự như việc cân bằng một đống đá. Nếu một trong những quần chúng lạc lõng, mọi thứ tan rã; trong trường hợp này, điều đó có nghĩa là các phép tính sai.
Phương trình tổng quát của cân bằng khối lượng
Trong bất kỳ hệ thống hoặc quy trình nào, trước tiên nó phải được xác định ranh giới của nó là gì. Từ chúng, sẽ biết được những hợp chất nào đi vào hoặc rời đi. Điều này đặc biệt thuận tiện nếu có nhiều đơn vị quy trình để xem xét. Khi tất cả các đơn vị hoặc hệ thống con được xem xét, thì chúng ta nói đến sự cân bằng khối lượng chung.
Cân bằng này có một phương trình, có thể áp dụng cho bất kỳ hệ nào tuân theo định luật bảo toàn khối lượng. Phương trình như sau:
E + G - S - C = A
Trong đó E là lượng vật chất đi vào hệ thống; G là những gì được tạo ra nếu một phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình (như trong lò phản ứng); S là những gì đi ra khỏi hệ thống; C là những gì được tiêu thụ , một lần nữa, nếu có phản ứng; và cuối cùng, A là những gì được tích lũy .
Đơn giản hóa
Nếu không có phản ứng hóa học trong hệ thống hoặc quá trình đang nghiên cứu, G và C có giá trị bằng không. Do đó, phương trình giống như sau:
E - S = A
Nếu hệ thống cũng được coi là ở trạng thái ổn định, không có những thay đổi đáng kể trong các biến hoặc luồng của các thành phần, thì người ta nói rằng không có gì tích lũy bên trong nó. Do đó, A có giá trị bằng 0 và phương trình kết thúc đơn giản hóa hơn nữa:
E = S
Nói cách khác, lượng vật chất đi vào bằng với lượng vật chất rời đi. Không có gì có thể bị mất hoặc biến mất.
Ngược lại, nếu có phản ứng hóa học xảy ra nhưng hệ ở trạng thái dừng thì G và C sẽ có giá trị và A sẽ bằng không:
E + G - S - C = 0
E + G = S + C
Có nghĩa là trong lò phản ứng, khối lượng thuốc thử đi vào và các sản phẩm mà chúng tạo ra trong lò phản ứng bằng khối lượng sản phẩm và thuốc thử rời ra, cũng như khối lượng thuốc thử được tiêu thụ.
Ví dụ sử dụng: cá ở sông
Giả sử bạn đang nghiên cứu số lượng cá trong một con sông, mà các bờ của chúng biểu thị ranh giới của hệ thống. Được biết, trung bình mỗi năm có 568 con cá nhập vào, 424 con được sinh ra (tạo ra), 353 con chết (tiêu thụ) và 236 con di cư hoặc bỏ đi.
Áp dụng phương trình tổng quát ta có:
568 + 424 - 353 - 236 = 403
Điều này có nghĩa là mỗi năm có 403 con cá tích tụ trên sông; có nghĩa là, mỗi năm con sông trở nên giàu có hơn với cá. Nếu A có giá trị âm, điều đó có nghĩa là số lượng cá đang giảm, có lẽ do tác động tiêu cực của môi trường.
Các loại
Từ phương trình tổng quát, có thể nghĩ rằng có bốn phương trình cho các loại quá trình hóa học khác nhau. Tuy nhiên, cân khối lượng được chia thành hai loại theo một tiêu chí khác: thời gian.
Số dư chênh lệch
Trong cân bằng vật chất vi sai, chúng ta có số lượng các thành phần trong một hệ thống tại một thời điểm hoặc thời điểm nhất định. Các đại lượng đã nói được biểu thị bằng đơn vị thời gian, và do đó, biểu thị tốc độ; ví dụ: Kg / h, cho biết bao nhiêu km đi vào, đi ra, tích lũy, tạo ra hoặc tiêu thụ trong một giờ.
Để có dòng chảy khối lượng (hoặc thể tích, với khối lượng riêng), hệ thống nói chung phải mở.
Sự cân bằng toàn diện
Khi hệ thống đóng, như xảy ra với các phản ứng được thực hiện trong các lò phản ứng gián đoạn (kiểu mẻ), khối lượng của các thành phần của nó thường thú vị hơn trước và sau quá trình; nghĩa là giữa thời điểm ban đầu và thời điểm cuối cùng t.
Do đó, các đại lượng được biểu thị dưới dạng khối lượng đơn thuần chứ không phải vận tốc. Loại cân bằng này được tạo ra về mặt tinh thần khi sử dụng máy xay sinh tố: khối lượng nguyên liệu đi vào phải bằng khối lượng nguyên liệu còn lại sau khi tắt máy.
Bài tập ví dụ
Người ta muốn pha loãng dòng dung dịch metanol 25% trong nước, với dòng khác có nồng độ 10%, loãng hơn, theo cách tạo ra 100 Kg / h dung dịch metanol 17%. Để đạt được điều này thì cả hai dung dịch metanol 25% và 10% phải vào hệ thống bao nhiêu trong một giờ? Giả sử hệ thống ở trạng thái ổn định
Sơ đồ sau minh họa câu lệnh:
Sơ đồ khối lượng của sự pha loãng dung dịch metanol. Nguồn: Gabriel Bolívar.
Không xảy ra phản ứng hóa học nên lượng metanol đi vào phải bằng lượng đi vào:
E Metanol = S Metanol
0,25 n 1 · + 0,10 n 2 · = 0,17 n 3 ·
Chỉ giá trị của n 3 · được biết . Phần còn lại là ẩn số. Để giải phương trình hai ẩn số này, cần có một cân bằng khác: cân bằng nước. Tạo sự cân bằng tương tự cho nước, chúng ta có:
0,75 n 1 · + 0,90 n 2 · = 0,83 n 3 ·
Giá trị của n 1 · được giải cho nước (nó cũng có thể là n 2 · ):
n 1 · = (83 Kg / giờ - 0,90n 2 · ) / (0,75)
Thay n 1 · vào phương trình cân bằng khối lượng của metanol, và giải cho n 2 · ta có:
0,25 + 0,10 n 2 · = 0,17 (100 Kg / h)
n 2 · = 53,33 Kg / h
Và đối với n 1 · chỉ cần trừ:
n 1 · = (100- 53,33) Kg / h
= 46,67 Kg / giờ
Do đó, mỗi giờ có 46,67 kg dung dịch metanol 25% và 53,33 kg dung dịch 10% phải vào hệ thống.
Người giới thiệu
- Felder và Rousseau. (2000). Các nguyên tắc cơ bản của quá trình hóa học. (Phiên bản thứ hai.). Addison Wesley.
- Fernández Germán. (Ngày 20 tháng 10 năm 2012). Định nghĩa cân bằng khối lượng. Phục hồi từ: Industrialriaquimica.net
- Cân bằng vật chất: các quá trình công nghiệp I. Được khôi phục từ: 3.fi.mdp.edu.ar
- Trường Cao đẳng Khu vực UNT La Plata. (sf). Cân bằng vật liệu. . Được khôi phục từ: frlp.utn.edu.ar
- Gómez Claudia S. Quintero. (sf). Cân bằng vật chất. . Được khôi phục từ: webdelprofesor.ula.ve