化學計量學-全42集 | 易學族自學網

化學計量學

又稱化學統計學，數學、統計學、計算機科學與化學結合而形成的化學分支學科。

簡介

國際化學計量學學會給化學計量學作出了如下的定義：

化學計量學是一門通過統計學或數學方法將對化學體系的測量值與體系的狀態之間建立聯繫的學科。

由於化學反應而引起反應物系組成變化的計算方法，是對反應過程進行物料衡算和熱量衡算的依據之一。

它應用數學、統計學和其他方法和手段（包括計算機）選擇最優試驗設計和測量方法，並通過對測量數據的處理和解析，最大限度地獲取有關物質系統的成分、結構及其他相關信息。

提出

化學計量學是瑞典Umea 大學S.沃爾德(S.Wold)在1971年首先提出來的。1974年美國B.R.科瓦斯基和沃爾德共同倡議成立了化學計量學學會。化學計量學在80年代有了較大的發展，各種新的化學計量學算法的基礎及應用研究取得了長足的進展，成為化學與分析化學發展的重要前沿領域。它的興起有力地推動了化學和分析化學的發展，為分析化學工作者優化試驗設計和測量方法、科學處理和解析數據並從中提取有用信息，開拓了新的思路，提供了新的手段。

研究對像

化學計量學的研究對象是有關化學量測的基礎理論和方法學。它所研究的內容包括：統計學和統計方法；分析信息理論；採樣；試驗優化與設計；分析校正理論；分析信號檢測和分析信號處理；化學模式識別；圖像分析；構效關係研究；人工智能和專家系統；人工神經元網絡與自適應化學模式識別；庫檢索等。

相關任務

其任務是研究有關化學測量的理論與方法學，應用數學、統計學與信息理論、計算機科學的方法和手段，科學地設計化學實驗，選擇最優的測量方法，最有效地獲取體系有用的特徵數據，並通過解析測量數據最大限度地從中提取有關物質的定性、定量、形態、結構等信息。它是一門正在發展的新興學科，其主要研究內容包括統計學與統計方法、校正理論、模型估計和參數估計、實驗設計和優化方法、分析信號處理、化學模式識別、定量構效關係、人工智能和專家系統、軟件和庫檢索等。

化學計量方程

方程

化學計量學計算的基礎方程。設反應組分（反應物及反應產物）A1,A2，…An間進行一個化學反應，根據反應前後反應物系的質量保持不變（核反應除外），即反應物消失的質量恆等於反應產物生成的質量，其化學計量方程可以下列通式表示：

v1A1+v2A2+…+vnAn=0

式中vi為反應組分Ai的化學計量係數；Ai為反應物時，vi<0;Ai為反應產物時,vi>0;Ai若為惰性組分則vi=0。如將反應物集中在左端，而反應產物全部移至右端,

(1)式即是通常的化學方程式。化學計量方程僅表示反應過程中反應組分摩爾質量變化的比例關係，而不反映反應實際進行的機理。

如在n個反應組分間存在著m個相互獨立的化學反應，則有如下的化學計量方程：

式中vij為第j個反應中反應組分Ai的化學計量係數。

獨立反應數

同時進行的若干反應，如果其中任何一個反應均不可能由其他反應線性組合得到，此即為獨立反應。反應物系中存在多個反應時，首先需確定獨立反應數，它可根據化合物元素矩陣來確定。設反應組分A1，A2…，An是由p個元素E1，E2…,Ep所組成,反應組分Ai中含元素Ek的原子數,

則按反應組分及組成元素可寫出下列矩陣：

若上列矩陣的秩為R,則獨立反應數m等於n-R。此法不適用於含有同分異構化合物的物系。計算各反應組份量的變化時，只需計及獨立反應，毋需考慮非獨立反應。

反應進程變量

表示反應進行程度的變量。若物系中只含一個反應，則用一個變量即可描述反應進行的程度；若為多個反應，則反應進程變量數目應等於獨立反應數。常用的反應進程變量有：１反應進度。指反應組分的變化量與其化學計量係數之比,是一個廣度變量,單位為mol。反應進度是對一個反應而言的，若有m個獨立反應,相應的有m個反應進度。根據反應進度可以計算任何反應組分的變化量。２轉化率。某一反應物的反應量與其初始量之比。轉化率為一強度因素，其值小於或等於 1。除非初始反應物系中各反應物的比例符合化學計量係數比，否則按不同反應物計算的轉化率的數值是不同的。３收率。為生成某一反應產物所消耗某一反應物的摩爾量與該反應物的初始摩爾量之比。收率亦為強度因素，其值小於或等於1。若按重量來計算收率,稱為重量收率，當產物的分子量大於反應物的分子量時，則其值可能大於 1。４選擇率。為生成某一反應產物所消耗某一反應物的摩爾量與該反應物轉化的摩爾量之比。選擇率也是強度因素，其值小於或等於1。

根據轉化率、收率和選擇率的定義可知，收率等於轉化率與選擇率的乘積。

具有循環過程的反應系統，反應器流出的物料分離出大部分產品後，又回到反應器進口處。所以，進入反應器的物料組成將不同於進入反應系統的原料組成，反應器出口的物料組成也不同於離於反應系統的物料組成。以反應器進出口為基準計算的收率和轉化率，分別稱為單程收率和單程轉化率。如以進出反應系統的物料來計算轉化率和收率，則分別稱為全程轉化率和全程收率。

反應進度是根據反應來定義，而轉化率、收率和選擇率則是按反應組分來定義，因此兩類反應進程變量不應混用。