运用MATLAB 解决复杂化学方程式配平问题
【摘要】到生产实际中化学反应复杂、涉及方程个数较多时,即矩阵阶数较高时,可利用 MATLAB 这一数学软件来轻松解决。本文根据化学反应方程式配平的基本原则,通过建立由原子种类、电荷数、配平系数组成的齐次线性方程组,以及建立数学模型,运用矩阵代数运算来配平复杂的化学反应方程式。 【关键词】MATLAB 矩阵运算 配平 化学反应方程式
MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。它的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。 遇到生产实际中化学反应复杂、涉及方程个数较多时,即矩阵阶数较高时,可利用 MATLAB 这一数学软件来轻松解决。本文根据化学反应方程式配平的基本原则,通过建立由原子种类、电荷数、配平系数组成的齐次线性方程组,以及建立数学模型,运用矩阵代数运算来配平复杂的化学反应方程式。 一、问题的提出
在生产实际中遇到化学反应复杂、涉及方程个数较多时,配平反应方程式就变成非常棘手的问题。在利用MATLAB 解决这些问题时,如何使用MATLAB 语言才能使问题迅速解决呢? 二、问题的解决 1、化学原理
在常规的化学反应中,我们判断一个化学反应是否配平的主要依据有以下几点:第一,反应前后各原子个数相同;第二,反应前后离子的电荷数必须相同;第三,得失电子数相等。本矩 阵运算主要根据以上原则建立数学模型。 配平化学方程式的线性代数法原理
设化学反应方程式中的反应物和产物的总数为m ,反应物和产物分子中所含元素的总数为n.
如果我们用Aij ij表示反应方程式中第i个化合物的第j种元素的原子的个数(Aij j可以称之为原子系数),则第i个化合物的组成可用一个向量Ai 表示:
Ai =(Ai1,Ai2,……,Aim ) (1) 相应的,矩阵A 则表示反应方程式中所有化合物的组成: A=(Aij )
我们把矩阵A 称之为原子系数矩阵,配平化学方程式就是要求反应式中各物质的化学计量系数。我们用a i 表示方程式中第i 种物质的化学计量系数,对于反应物取a i >0;对于生成物取a i
a i A i =0(i=1,2,…,m) (2)
i
(2)式用矩阵可表示为:Aa=0上式为一齐次方程组。
需要说明的是,采用此法计算时,如果m>n,则有不止一组独立解,此时,应对A 矩阵加以处理,使之变为一个方阵。通常,可在后面的行加上单位矢量使之成为方阵。当为离子反应时,可把各物质所带的电荷作为一个向量写在矩阵中,若还未成为方阵,则在后面的行加上单位矢量,使之成为方阵。
例如,对于待配平方程式:C 2H 4+O2—CO 2+H2O, 首先写出该反应的原子系数矩阵C:
C 2H 4+O 2-CO 2+H 2O
C H O
2400
0020
1020
0211
=C
显然,m>n,为此,在矩阵C 的最后一行加上单位矢量,使之变成方阵A:
C 2H 4+O 2-CO 2+H 2O
C H O
2400
0020
1020
0211
=A
又如,对于离子反应 Cr3++MnO4-+H2O —Cr 2O 72-+Mn2++H+, 先加上电荷(正电荷为正,负电荷为负),再变成为方阵A :
Cr 100200Mn 010010O 041700=A
H 002001
电荷
+30
-10
00
-20
+20
+11
求出方阵的逆矩阵,其逆阵的最后m-n 列即是方程式Aa=0的解a i ,如果m-n=1,
则最后第m-n 列为系数向量,如果m-n>1,则将第n 列以后的列的值予以合并构成系数向量。
2、程序举例 例1:
FeS 2+O2→Fe 2O 3+SO2 解:
Fe S O
1200
0020
2030
01 21
编写程序如下:
A=[1,0,2,0;2,0,0,1;0,2,3,2;0,0,0,1]; B=inv(A) %求矩阵的逆;
运行结果: B =
0 0.5000 0 -0.5000 -0.7500 0.3750 0.5000 -1.3750
0.5000 -0.2500 0 0.2500 0 0 0 1.0000
由于化学反应方程式中的反应物和产物的总数为4,反应物和产物分子中所含元素的总数为3。故得:4-3=1,则最后1列即是方程式Aa=0的解a i 为系数向量。
-0.5000-4-1.3750-11
0.25002
故所求方程组的解为 1.0000,各项取整得互质整数解为 8。即为反应式中反应物和生成物前的系数,负值为反应物的系数。
该方程配平为:4FeS 2+11O2=2Fe2O 3+8SO2 例2:
CH 3CHO+Ag(NH3) 2OH △CH 3COONH 4 +Ag↓+NH3+H2O 解: C 202000H 477032O 112001 Ag 010100N 021010
000001
编写程序如下:
A=[2,0,2,0,0,0;4,7,7,0,3,2;1,1,2,0,0,1;0,1,0,1,0,0;0,2,1,0,1,0;0,0,0,0,0,1];
B=inv(A) %求矩阵的逆;
运行结果:
B =
-1.0000 1.0000 -1.0000 0 -3.0000 -1.0000 -2.0000 1.0000 0 0 -3.0000 -2.0000 1.5000 -1.0000 1.0000 0 3.0000 1.0000 2.0000 -1.0000 0 1.0000 3.0000 2.0000 2.5000 -1.0000 -1.0000 0 4.0000 3.0000 0 0 0 0 0 1.0000
由于化学反应方程式中的反应物和产物的总数为6,反应物和产物分子中所含元素的总数为5。故得:6-5=1,则最后1列即是方程式Aa=0的解a i 为系数向量。
-1.0000-2.00001.00002.0000
-1. -212
3.00003
故所求方程组的解为1.0000,各项取整得互质整数解为1。即为反应式中反应物和生成物前的系数,负值为反应物的系数。
该方程配平为:CH 3CHO+2Ag(NH3) 2OH △CH 3COONH 4 +2Ag↓+3NH3+H2O 例3:
Fe 2++CL2→Fe 3++CL- 解:
编写程序如下:
A=[1,0,1,0;0,2,0,1;+2,0,+3,-1;0,0,0,1] B=inv(A) %求矩阵的逆;
运行结果:
A =
1 0 1 0 0 2 0 1 2 0 3 -1 0 0 0 1 B =
3.0000 0 -1.0000 -1.0000 0 0.5000 0 -0.5000 -2.0000 0 1.0000 1.0000 0 0 0 1.0000
由于化学反应方程式中的反应物和产物的总数为3,反应物和产物分子中所含元素的总数为2。故得:3-2=1,则最后1列即是方程式Aa=0的解a i 为系数向量。
-1.0000-2-0.5000-11.00002
故所求方程组的解为1.0000,各项取整得互质整数解为2。即为反应 式中反应物和生成物前的系数,负值为反应物的系数。 该方程配平为:2Fe 2+ + Cl2 = 2Cl- + 2Fe3+
3、利用MATLAB 软件进行复杂方程式的计算
由 于 在 实 际 的 生 产 生 活 中 , 往 往 有 许 多 化 学 反 应 同 时 发生,非常因此复杂,所以解决实际的配平问题时,可能遇到非常繁琐 的矩阵代数运算,笔者建议使用MATLAB 这一高性能的计算软件。
三、总结
本文利用MATLAB 中矩阵运算配平化学反应方程式,运用非常简单的程序 就轻松解决了求解复杂反应方程式配平的问题,不仅使计算简单快捷,还充分体现了学科交叉带来的具大优势。MATLAB 作为一种数学工具,其重要性不仅在于理论知识,更重要的是要利用理论知识解决实际问题。作为一名工科大学生,更应该掌握这门科学工具。 参考文献:
[1] 胡龙桥,配平化学反应方程式的矩阵方法[J],天津师大学报(自然科学版),1997,第2期
[2] 孙会霞、职桂珍,线性方程组的基本理论在配平化学方程式中的应用[J],1999
[3] 刘文华,配平化学方程式的矩阵变换方法,冶金部有色金属研究总院[J] 1987,06
Fe CL 电荷
10+20
0200
10+30
01-11
运用MATLAB 解决复杂化学方程式配平问题
【摘要】到生产实际中化学反应复杂、涉及方程个数较多时,即矩阵阶数较高时,可利用 MATLAB 这一数学软件来轻松解决。本文根据化学反应方程式配平的基本原则,通过建立由原子种类、电荷数、配平系数组成的齐次线性方程组,以及建立数学模型,运用矩阵代数运算来配平复杂的化学反应方程式。 【关键词】MATLAB 矩阵运算 配平 化学反应方程式
MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。它的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。 遇到生产实际中化学反应复杂、涉及方程个数较多时,即矩阵阶数较高时,可利用 MATLAB 这一数学软件来轻松解决。本文根据化学反应方程式配平的基本原则,通过建立由原子种类、电荷数、配平系数组成的齐次线性方程组,以及建立数学模型,运用矩阵代数运算来配平复杂的化学反应方程式。 一、问题的提出
在生产实际中遇到化学反应复杂、涉及方程个数较多时,配平反应方程式就变成非常棘手的问题。在利用MATLAB 解决这些问题时,如何使用MATLAB 语言才能使问题迅速解决呢? 二、问题的解决 1、化学原理
在常规的化学反应中,我们判断一个化学反应是否配平的主要依据有以下几点:第一,反应前后各原子个数相同;第二,反应前后离子的电荷数必须相同;第三,得失电子数相等。本矩 阵运算主要根据以上原则建立数学模型。 配平化学方程式的线性代数法原理
设化学反应方程式中的反应物和产物的总数为m ,反应物和产物分子中所含元素的总数为n.
如果我们用Aij ij表示反应方程式中第i个化合物的第j种元素的原子的个数(Aij j可以称之为原子系数),则第i个化合物的组成可用一个向量Ai 表示:
Ai =(Ai1,Ai2,……,Aim ) (1) 相应的,矩阵A 则表示反应方程式中所有化合物的组成: A=(Aij )
我们把矩阵A 称之为原子系数矩阵,配平化学方程式就是要求反应式中各物质的化学计量系数。我们用a i 表示方程式中第i 种物质的化学计量系数,对于反应物取a i >0;对于生成物取a i
a i A i =0(i=1,2,…,m) (2)
i
(2)式用矩阵可表示为:Aa=0上式为一齐次方程组。
需要说明的是,采用此法计算时,如果m>n,则有不止一组独立解,此时,应对A 矩阵加以处理,使之变为一个方阵。通常,可在后面的行加上单位矢量使之成为方阵。当为离子反应时,可把各物质所带的电荷作为一个向量写在矩阵中,若还未成为方阵,则在后面的行加上单位矢量,使之成为方阵。
例如,对于待配平方程式:C 2H 4+O2—CO 2+H2O, 首先写出该反应的原子系数矩阵C:
C 2H 4+O 2-CO 2+H 2O
C H O
2400
0020
1020
0211
=C
显然,m>n,为此,在矩阵C 的最后一行加上单位矢量,使之变成方阵A:
C 2H 4+O 2-CO 2+H 2O
C H O
2400
0020
1020
0211
=A
又如,对于离子反应 Cr3++MnO4-+H2O —Cr 2O 72-+Mn2++H+, 先加上电荷(正电荷为正,负电荷为负),再变成为方阵A :
Cr 100200Mn 010010O 041700=A
H 002001
电荷
+30
-10
00
-20
+20
+11
求出方阵的逆矩阵,其逆阵的最后m-n 列即是方程式Aa=0的解a i ,如果m-n=1,
则最后第m-n 列为系数向量,如果m-n>1,则将第n 列以后的列的值予以合并构成系数向量。
2、程序举例 例1:
FeS 2+O2→Fe 2O 3+SO2 解:
Fe S O
1200
0020
2030
01 21
编写程序如下:
A=[1,0,2,0;2,0,0,1;0,2,3,2;0,0,0,1]; B=inv(A) %求矩阵的逆;
运行结果: B =
0 0.5000 0 -0.5000 -0.7500 0.3750 0.5000 -1.3750
0.5000 -0.2500 0 0.2500 0 0 0 1.0000
由于化学反应方程式中的反应物和产物的总数为4,反应物和产物分子中所含元素的总数为3。故得:4-3=1,则最后1列即是方程式Aa=0的解a i 为系数向量。
-0.5000-4-1.3750-11
0.25002
故所求方程组的解为 1.0000,各项取整得互质整数解为 8。即为反应式中反应物和生成物前的系数,负值为反应物的系数。
该方程配平为:4FeS 2+11O2=2Fe2O 3+8SO2 例2:
CH 3CHO+Ag(NH3) 2OH △CH 3COONH 4 +Ag↓+NH3+H2O 解: C 202000H 477032O 112001 Ag 010100N 021010
000001
编写程序如下:
A=[2,0,2,0,0,0;4,7,7,0,3,2;1,1,2,0,0,1;0,1,0,1,0,0;0,2,1,0,1,0;0,0,0,0,0,1];
B=inv(A) %求矩阵的逆;
运行结果:
B =
-1.0000 1.0000 -1.0000 0 -3.0000 -1.0000 -2.0000 1.0000 0 0 -3.0000 -2.0000 1.5000 -1.0000 1.0000 0 3.0000 1.0000 2.0000 -1.0000 0 1.0000 3.0000 2.0000 2.5000 -1.0000 -1.0000 0 4.0000 3.0000 0 0 0 0 0 1.0000
由于化学反应方程式中的反应物和产物的总数为6,反应物和产物分子中所含元素的总数为5。故得:6-5=1,则最后1列即是方程式Aa=0的解a i 为系数向量。
-1.0000-2.00001.00002.0000
-1. -212
3.00003
故所求方程组的解为1.0000,各项取整得互质整数解为1。即为反应式中反应物和生成物前的系数,负值为反应物的系数。
该方程配平为:CH 3CHO+2Ag(NH3) 2OH △CH 3COONH 4 +2Ag↓+3NH3+H2O 例3:
Fe 2++CL2→Fe 3++CL- 解:
编写程序如下:
A=[1,0,1,0;0,2,0,1;+2,0,+3,-1;0,0,0,1] B=inv(A) %求矩阵的逆;
运行结果:
A =
1 0 1 0 0 2 0 1 2 0 3 -1 0 0 0 1 B =
3.0000 0 -1.0000 -1.0000 0 0.5000 0 -0.5000 -2.0000 0 1.0000 1.0000 0 0 0 1.0000
由于化学反应方程式中的反应物和产物的总数为3,反应物和产物分子中所含元素的总数为2。故得:3-2=1,则最后1列即是方程式Aa=0的解a i 为系数向量。
-1.0000-2-0.5000-11.00002
故所求方程组的解为1.0000,各项取整得互质整数解为2。即为反应 式中反应物和生成物前的系数,负值为反应物的系数。 该方程配平为:2Fe 2+ + Cl2 = 2Cl- + 2Fe3+
3、利用MATLAB 软件进行复杂方程式的计算
由 于 在 实 际 的 生 产 生 活 中 , 往 往 有 许 多 化 学 反 应 同 时 发生,非常因此复杂,所以解决实际的配平问题时,可能遇到非常繁琐 的矩阵代数运算,笔者建议使用MATLAB 这一高性能的计算软件。
三、总结
本文利用MATLAB 中矩阵运算配平化学反应方程式,运用非常简单的程序 就轻松解决了求解复杂反应方程式配平的问题,不仅使计算简单快捷,还充分体现了学科交叉带来的具大优势。MATLAB 作为一种数学工具,其重要性不仅在于理论知识,更重要的是要利用理论知识解决实际问题。作为一名工科大学生,更应该掌握这门科学工具。 参考文献:
[1] 胡龙桥,配平化学反应方程式的矩阵方法[J],天津师大学报(自然科学版),1997,第2期
[2] 孙会霞、职桂珍,线性方程组的基本理论在配平化学方程式中的应用[J],1999
[3] 刘文华,配平化学方程式的矩阵变换方法,冶金部有色金属研究总院[J] 1987,06
Fe CL 电荷
10+20
0200
10+30
01-11