Основні позначення

[A_j] – рівноважна концентрація реагенту A_j

a_j , або a(A_j) – активність реагенту A_j

c_j , або с(A_j) – молярна концентрація реагенту A_j

d – густина

D – коефіцієнт розподілу

E – окисний потенціал

E⁰ – стандартний окисний потенціал

F – постійна Фарадея

k – множник Нернста

K – константа рівноваги (докладніше – у розділі 2.1)

K’(| Х) – умовна константа рівноваги при заданому [Х]

m – число компонентів (у рівняннях балансу компонентів)

m – маса

M(A_j) – молярна маса реагенту A_j

n(S) – кількість речовини

N_A – постійна Авоґадро

r – число незалежних реакцій (у рівняннях балансу компонентів)

r(А| Х) – частка реагенту А серед одноядерних продуктів її реакції із Х, при заданому [Х]

R – газова постійна

R – ступінь відокремлення

s – число учасників реакції; число реагентів, рівноважну концентрацію яких слід визначити (у рівняннях балансу компонентів)

T – абсолютна температура

V – об’єм фази

w(A_j) – масова частка реагенту A_j

х =  / V – концентраційне число перебігів реакції

_j – стехіометричні коефіцієнти в реакції 0   _j A_j

 – загальна константа рівноваги (докладніше – у розділі 2.1)

 – коефіцієнт активності

 – число перебігів реакції (змінна де-Донде)

(A_j) – масова концентрація реагенту A_j

 – стехіометричний коефіцієнт

1. Величини, що визначають склад

Розгляньмо проблеми, відомі ще з курсу хімії середньої школи – кількісний опис хімічного складу та стехіометричних співвідношень, що відповідають хімічним реакціям. Цю частину професійного ремесла слід досконало засвоїти. Радимо не вживати готових розрахункових формул, здобуваючи навички вільного їх виведення із визначення понять. Поняття і їх визначення років із 20 тому – протягом активної діяльності вчителів нинішніх студентів – переглянуто й уточнено міжнародними організаціями. Деякі з хіміків не бажали змінювати стереотипи і перевчатись, тому в літературі характерна мішанина визначень і позначень. Ще й у радянських шкільних підручниках з невідомої причини кількість речовини позначили літерою  (ню) замість рекомендованої міжнародними організаціями літери n (де літеру  рекомендовано для позначення стехіометричних коефіцієнтів). Але ми, фахівці, маємо читати іноземну літературу і друкуватись у міжнародних часописах!

1.1. Хімічний склад

Маса й кількість речовини. Визначаючи, скільки певної речовини міститься у зразку, вживають або масу, або кількість речовини. Остання пов’язана із числом структурних фрагментів речовини (атомів, молекул, еквівалентів, електронів тощо). Основною одиницею кількості речовини є моль – кількість речовини, що містить стільки же структурних фрагментів, скільки атомів містить 0,012 кг (12 г) ізотопу вуглецю ¹²С, тобто N_A = 6,022603267(31)·10²³ моль^‑1 (постійна Авоґадро, яку визначають експериментально, і останні цифри в дужках не є точно відомими). Термін “постійна” відрізняється від терміну “число” тим, що “постійна” має розмірність.

Кількість речовини позначають літерою n, після якої у дужках наводять формулу речовини (як аргумент у функції), наприклад: n(O₂) – кількість речовини молекул кисню, n(S) – кількість речовини сульфуру (сірки), n(SO₄^2‑) – кількість речовини іону сульфату. Незручно було б замість формул у дужках вживати хімічні формули як індекси, бо у формулах і без того є індекси, нижні (стехіометричні) та верхні (заряди іонів), і такі позначення були б часто громіздкими.

Технолог здебільшого прагне знати масу речовини, m. Нам зручніші кількості речовини реагентів, n, пов’язані простими стехіометричними співвідношеннями. Ці величини взаємно перераховують, вживаючи

M = m / n, (1.1)

де М – молярна маса, відношення маси m до кількості речовини. Обчислюючи результати аналізу, на відміну від середньої школи, користуйтесь точними значеннями молярних мас (а не цілими числами), наприклад:

M(H₃PO₄) = 3·M(H) + M(P) + 4·M(O) =

=3·1,00797 + 30,9738 + 4·15,9994 = 97,9953 г/моль.

Навчіться знаходити готові значення молярних мас у хімічних довідниках.

Правильність формул перевіряємо діями із розмірністю величин. Це надбання для хіміків пов’язане з уживанням моля як основної одиниці міжнародної системи (СІ). Відмовтесь від розрахунків за пропорціями, як у школі: виводячи формули, пропорціями лише заплутаємо записи.

Приклад 1.1. Яка маса фосфатної кислоти відповідає кількості речовини n(H₃PO₄) = 0,200 моль? Яка кількість речовини фосфатної кислоти відповідає масі m(H₃PO₄) = 2,0000 г?

Розв’язок. Заданій кількості речовини відповідає маса

m(H₃PO₄) = n(H₃PO₄)·M(H₃PO₄) =

= (0,200 моль)·(97,9953 г/моль ) = 19,6 г,

а заданій масі – кількість речовини

n(H₃PO₄) = m(H₃PO₄) / M(H₃PO₄) =

= (2,0000 г) / (97,9953 г/моль) = 0,020409 моль.

Масова частка, масове відношення й молярна частка – відносні (безрозмірні) величини. Масова частка – відношення маси компонента до маси об’єкта, що часто виражають у процентах (у старій літературі – “відсотковий вміст”, російське “процентное содержание”). Масове відношення – відношення маси компонента до маси решти речовини без розглядуваного компонента. Через різницю у цих термінах уникаємо плутанини. Так, вираз “масове відношення води у деревині сосни дорівнює 70%” замість “вологість свіжої деревини сосни дорівнює 70%” показує, що йдеться про відношення маси вологи до маси сухої деревини. І тут розрахунки пов’язані з визначеннями. Молярна частка – відношення кількості речовини компонента до суми кількостей речовини усіх компонентів системи.

Приклад 1.2. Аналізуючи фосфорит, знайдено, що наважці 1,5000 г відповідає 0,3931 г P₂O₅. Обчислити масову частку P₂O₅ у фосфориті.

Розв’язок. За визначенням обчислюємо

w(P₂O₅) = m(P₂O₅) / m(наважки) = (0,3931 г ) / (1,5000 г ) = 0,262,

або 26,2%.

Приклад 1.3. Аналізуючи глину, знайдено, що у наважці 0,2425 г міститься 0,1034 г SiO₂, 0,0462 г CaO, 0,0124 г MgO. Наважку масою 1,0824 г висушили при 105‑110^оС до постійної маси 1,0526 г. Яка масова частка компонентів у сухій та вологій глині?

Розв’язок. Обчислімо склад вологого матеріалу:

w(SiO₂) = m(SiO₂) / m(наважки) = (0,1034 г ) / (0,2425 г ) = 0,426,

або 42,6%,

w(CaO) = m(CaO) / m(наважки) = (0,0462 г ) / (0,2425 г ) = 0,170, або 17,0%,

w(MgO) = m(MgO) / m(наважки) = (0,0124 г ) / (0,2425 г ) = 0,051,

або 5,1%.

Частка сухого матеріалу в глині дорівнює

w(сухого) = m(сухого) / m(вихідного) =

= (1,0526 г ) / (1,0824 г ) = 0,972, або 97,2%.

Перераховуючи результати аналізу на вміст у сухій глині, поділімо w(SiO₂), w(CaO) та w(MgO) на частку w(сухого). Адже для складу сухої глини ми б уживали у знаменниках не m(наважки), а m₁(наважки) = m(наважки)w(сухого). Склад сухого матеріалу:

w₁(SiO₂) = w(SiO₂) / w(сухого) = 0,438, або 43,8%,

w₁(CaO) = w(CaO) / w(сухого) = 0,174, або 17,4%,

w₁(MgO) = w(MgO) / w(сухого) = 0,053, або 5,3%.

Концентрації: масова (відношення маси компонента до об’єму системи) і молярна (відношення кількості речовини компонента до об’єму системи). За змістом із масовою концентрацією збігається термін титр, що став зайвим (його ще вживають «за ностальгією»). Моляльність – відношення кількості речовини компонента до маси розчинника.

Приклад 1.4. Концентрації у водяному розчині із V = 200,0 мл = 0,2000 л, що містить m(H₃PO₄) = 2,0000 г.