化学徒の備忘録

化学系の用語や記事や論文をわかりやすく紹介します

化学反応の物質収支・限定反応成分・反応率について

化学反応式と化学量論式

化学反応を取り扱う場合には化学反応式を考える場合が多い。化学反応式は、反応に関わる成分の間での量的相互関係を表す。そのため、化学工学などでは化学反応式を化学量論式や量論式ともいう。

次のような化学反応式を考える。

 aA + bB → cC

この反応式ではa mol の成分Aとb molの成分Bが反応し、c molの成分Cが生成することを表す。

限定反応成分について

実際の反応では、各成分が量論係数の比率で供給されるのではなく、いずれかの原料成分が過剰に供給されることがある。このとき、過剰でない反応原料を限定反応成分 (Limiting reactant) という。また、限定反応成分も全てが反応せずに、その一部は未反応のままである場合もある。

上の化学反応式のうち限定反応成分をAとして、両辺をaで割ると次の式のようになる。

 \displaystyle A + \frac{b}{a} B → \frac{c}{a} C

反応率について

反応の進行状態を表すために、限定反応成分Aに対する反応率x_Aを考える。反応率x_Aは限定反応成分Aの供給量に対してAがどれだけ反応したかを表す値である。

成分Aの供給量をF_{A0} mol/s 、反応器から排出されるAの量をF_A mol/s とすると反応率x_Aは次のように表される。

 \displaystyle x_A = \frac{成分Aの反応量}{成分Aの供給量} = \frac{F_{A0} - F_A}{F_{A0}}

同様に成分B、成分Cについても考えることができる。これをまとめると下の表のようになる。

成分

供給量 (mol/s)

反応器での変化量(mol/s)

排出量 (mol/s)

A

F_{A0}

-F_{A0}x_A

 F_{A0}-F_{A0}x_A

B

F_{B0}

-\frac{b}{a}F_{A0}x_A

 F_{B0}-\frac{b}{a}F_{A0}x_A

C

F_{C0}

+\frac{c}{a}F_{A0}x_A

 F_{C0}+\frac{c}{a}F_{A0}x_A