1.2.4. Номенклатура речовин і стехіометрія

Номенклатура речовин (або хімічна номенклатура), як і система фізичних величин у метрології, — це система термінологічних правил і стандартів найменувань різних хімічних речовин. Сучасна номенклатура хімічних речовин є інформаційно містким і достовірним засобом характеристики хімічного складу, структури та властивостей речовин, вона сприяє уніфікації понять різних галузей науки й практики, чіткішому взаєморозумінню економістів, екологів і техніків, плідній інтеграції різних наук.

Існує дві найпоширеніші міжнародні системи хімічної но-
менклатури: система Міжнародного союзу теоретичної і прикладної хімії — IUPAC і система, розроблена Міжнародною Асоціацією наукової освіти ASE [163, Т. 1, 179, Т. 2, 309]. Обидві системи мають багато спільного. Найважливішою вимогою до будь-якої номенклатури речовин є однозначність відображення в назві речовини її хімічного складу й структури, тобто наявність тільки однієї назви для речовини одного хімічного складу. Тривіальна термінологія не дотримується цього. Наприклад, назви «вапняк», «карбонат кальцію», «вуглекислий кальцій», «крейда», «мармур» відповідають речовині одного складу СаСО3, те саме стосується і речовини з формулою  — «сульфат міді», «сірчанокисла мідь», «гідрат сульфату міді». Тривіальні назви виникли внаслідок емпіричного підходу до їх утворення.

Ще й досі різні галузі науки віддають перевагу тим чи іншим назвам речовин, які закріплюються у свідомості людей, і так само, як і позасистемні назви одиниць фізичних величин у метрології, утруднюють інформацію та спілкування представників різних галузей знань і формування інтегрованих знань. Зрозуміло, це не сприяє формуванню ефективних засобів навчально-методичного забезпечення освіти.

У нашому посібнику ми будемо дотримуватися (переважно) найбільш поширеної в міжнародних відносинах номенклатури речовин системи IUPAC, запозичивши методологію викладання авторів посібників [163], [71].

Номенклатура неорганічних речовин
[103], [163, Т. 1, 179]

В основу системи номенклатури речовин IUPAC покладено їхній хімічний склад — найсталішу й водночас найпростішу характеристику речовини (хімічну формулу). Система IUPAC — це дві взаємозумовлені складові: формула — назва. Отже, номенклатура складається з формул та назв речовин.

Формула — це зображення складу речовини за допомогою символів хімічних елементів (написання символів регламентовано періодичною системою елементів) і числових індексів, які визначають вміст кожного елемента в молекулі (структурній одиниці) речовини.

Наприклад, у формулі Н2О числовий індекс при водні — 2.

Назва — зображення складу речовини за допомогою слова чи сполучення слів. Знаючи назву, можна за допомогою системи номенклатурних правил написати формулу сполуки, і навпаки. Первинною в номенклатурі речовини є її хімічна формула, з якої випливає назва.

За номенклатурними правилами складання назви кожна речовина одержує відповідно до її формули систематичну назву, яка повністю відбиває її склад.

Прості речовини (тобто ті, що складаються з одного елемента) називають, як правило, так само, як і елементи (ртуть, цинк, кисень тощо). Якщо проста речовина може перебувати в різних станах (алотропних формах), молекулярний склад яких відомий, то в назві зазначають кількість атомів у молекулі.

Для цього використовують префікси моно (один), ди (два), три, тетра (чотири), пента (п’ять) і т. д. Наприклад, молекуляр­ний кисень (О2) має систематичну назву дикисень, а озон — його алотропна форма (О3) — трикисень.

Складні речовини. Згідно з номенклатурними правилами IUPAC (англ. вар.) читання назв речовин провадиться за ходом формули, наприклад, NaCl — натрію хлорид, але в україномовному варіанті (що наслідує російський) — навпаки: читатимемо хлорид натрію. Такий самий порядок читання передбачає і французький варіант.

За таким правилом у назві речовини на першому місці завжди стоятиме назва електронегативної складової (аніон) у називному відмінку, а на другому — електропозитивна складова (катіон) в родовому відмінку (як це було показано на прикладі NaCl). Коли електронегативна (або умовно електронегативна) складова є одноелементною, то вона матиме суфікс -ид або -ід. Кількість атомів як катіона, так і аніона в назві відображатиметься числовим префіксом (читають і пишуть так само, як і числові для позначення кількості атомів). Наприклад (складні речовини з одноелементним аніоном):

Оксиди: СО2 (діоксид вуглецю), СО (монооксид вуглецю), SiO2 (діоксид силіцію), Al2O3 (триоксид діалюмінію), NO (монооксид азоту);

Галогеніди: NaCl (хлорид натрію), СаСl2 (дихлорид кальцію), RaF4 (тетрафторид радію), MgJ2 (дійодид магнію);

Карбіди: Fe3C (монокарбід тризаліза), Cr2C3 (трикарбід дихрому);

Сульфіди: H2S (сульфід диводню), ZnS (сульфід цинку);

Нітриди: BN (нітрид бору), Cu3N (нітрид триміді).

За наявності в речовині кількох електронегативних чи елек-
тропозитивних складових їх називають за складом формули справа наліво й пишуть через дефіс, наприклад:

AlClO — оксид-хлорид алюмінію;

MgJBr — бромід-йодид магнію;

CaB2S4 — тетрасульфід-дибор кальцію.

Для складніших речовин (кислоти, солі, гідроксиди), коли електронегативна складова (аніон) містить різні елементи, формули читають із додаванням грецьких префіксів до назви елек-
тронегативної складової, яка завжди, незалежно від валентності кислотоутворюючого елемента, має суфікс -ат. Наприклад: Na2SO4 (тетраоксосульфат динатрію), Na2SO3 (триоксосульфат динатрію), KNO3 (триоксонітрат калію), СаСО3 (триоксокарбонат кальцію), CuSO4 (тетраоксосульфат міді).

Співвідношення між складовими сполук можна показати за способом (правилом) Штока. Згідно з ним ступінь окислення елемента в електропозитивній складовій (катіон) позначається римською цифрою в дужках у кінці назви. Цей спосіб доцільний, коли треба відобразити валентність катіона, наприклад за елек-
тролізу речовин тощо.

Приклади назв за способом Штока: FeO — оксид заліза (ІІ), Fe2O3 — оксид заліза (ІІІ), Fe(OH)3 — гідроксид заліза (ІІІ).

Однак до цього способу треба ставитись обережно, бо він не є універсальним. Наприклад, як за цим способом назвати (записати назву) Fe3O4? Яка валентність заліза за цією формулою? Ця речовина складається з двох оксидів FeO і Fe2O3 і читатиметься «тетраоксид тризаліза».

У науковій літературі та переважно у практиці згідно з правилами IUPAC допускається (але не рекомендується) використання деяких тривіальних назв речовин, таких як CO2 — вуглекислий газ, Ca(OH)2 — гашене вапно, Al2O3 — глинозем, FeSO4 · 7H2O — залізний купорос, NaOH — їдкий натр, Na2CO3 — кальцинована сода, NaOH — каустична сода (каустик, їдкий натр), CuSO4 · 5H2O — мід­ний купорос, СаО — негашене вапно, NaCl — кухонна сіль та ін.

Номенклатура органічних речовин
[71, 261—267], [163, Т. 2, 309]

Із відомих на сьогодні близько 10 млн хімічних речовин (неорганічних і органічних) понад 95 % становлять органічні речовини. Сучасну міжнародну систему номенклатури органічних речовин було прийнято 1957 р. у Парижі на конференції Міжнарод­ного Союзу чистої і прикладної хімії. Вона відома під назвою «Правила IUPAC».

На жаль, як і Міжнародна система фізичних величин (SI) у метрології, так і «Правила IUPAC» досить повільно впроваджуються в практику. Причин тут багато, але, мабуть, найперша — це консерватизм і схильність багатьох спеціалістів до обмеження фахового обсягу нових знань, у тому числі і в галузі освіти. Тому поряд із системою IUPAC у сучасній науці та практиці досить часто вживаються тривіальні назви й назви, побудовані за правилами систем, розроблених іще наприкінці минулого сторіччя — раціональної та женевської (систематичної). В основу раціональної системи покладено назви найпростіших (первинних) сполук, з яких виводяться назви складніших похідних.

Так, усі насичені вуглеводні загальної формули  розглядаються як похідні метану СН4, що в ньому атоми водню замінено на радикали. Наприклад, замінивши два атоми водню на радикали метилу (–СН3), отримаємо вуглеводень СН3–СН2–СН3, під назвою (згідно з правилом) диметилметан.

За такою самою схемою насичені спирти розглядаються як похідні найпростішого з них — карбінола СН3–ОН (тривіальні назви — метиловий або мурашиний спирт). Наприклад, замінивши один з атомів водню карбінола на радикал –СН3 отримаємо новий спирт СН3СН2ОН, назва якого — метилкарбінол (тривіаль­на назва — винний спирт). Недоліки такої системи в тому, що вона в багатьох випадках не може однозначно відобразити будову речовини, якій відповідає кілька варіантів структури — ізомерів. Цю проблему повністю вирішено в системі IUPAC, яка все ж базується на правилах женевської системи. Повний опис номен­клатурних правил IUPAC для органічних речовин зайняв би надто багато місця, тому ми розглянемо лише основні принципи правил і окремі приклади.

Класифікаційна номенклатура IUPAC постійно вдосконалюється, що завжди необхідно враховувати. Органічні сполуки класифікують за структурою їх вуглецевого ланцюга. Виділяють чотири основні класи:

Аліфатичні — з ланцюгом міжатомного вуглець-вуглецевого зв’язку нерозгалуженої або розгалуженої (з боковими ланцюжками) структури, з вільними кінцями, не замкнутими в кільце (цикл). Інша назва таких сполук — ациклічні або сполуки жирного ряду.

Аліциклічні — із замкненими в кільце ланцюгами атомів вуглецю.

Ароматичні — специфічні сполуки, які містять у своїй структурі цикли з шести атомів вуглецю, кожний з яких має формально тільки три рівноцінні валентності міжатомних зв’язків. Типовий представник — бензол (С6Н6). Тут ми не обговорюватимемо структурно-хімічні концепції такої будови.

Гетероциклічні — вуглеводневі сполуки, в циклі яких, крім вуглецю, є гетероатоми: кисень, азот, сірка. Типовий представник — фуран, у циклі якого чотири атоми вуглецю й один
кисню.

Крім класу ароматичних сполук, усі інші класи можуть мати в структурі вуглець-вуглецевого ланцюга прості (ординарні) зв’язки –С–С–, або кратні — подвійні –С = С–, чи потрійні –С º С–.

Сполуки з простими вуглець-вуглецевими зв’язками називаються насиченими сполуками або алканами (тривіальна назва — парафіни) загальної формули . Треба звернути увагу на правильну назву таких сполук — вуглеводневі, і не плутати їх з вуглеводами, тобто з іншими сполуками, загальна формула яких

Назва індивідуальних насичених вуглеводневих сполук класу алканів складається з двох частин. Перша — коренева частина слова назви конкретного алкану залежить від кількості атомів вуглецю в сполуці (для одного — мет, двох — ет, трьох — проп, чотирьох — бут, п’яти — пент, шести — гекс і т. д. за грецькою назвою відповідної кількості атомів вуглецю).

Друга частина назви слова — суфікс — «ан» для всіх сполук цього класу, який вказує, що сполука є насиченою, тобто містить тільки прості –С–С– вуглецеві зв’язки. Якщо від таких сполук відняти один водень, то отримаємо їхні радикали, назви яких утворюють від назви вихідної сполуки заміною суфікса -ан на
-ил (чи -іл). Наприклад, метан (СН4) — метил (–СН3), етан (С2Н6) — етил (–С2Н5), пропан (С3Н8) — пропіл (–С3Н7) і т. д.

Назви аліфатичних сполук, які містять у структурі подвійний
–С = С– зв’язок, відрізняються від назв сполук із простими –С–С– зв’язками лише іншим суфіксом -ен. Такі сполуки мають узагальнену назву — алкени. Порівняйте назви алкенів і алканів: етен — етан, пропен — пропан, бутен — бутан і т. д.

Назви аліфатичних сполук, які містять потрійний вуглець-вуглецевий зв’язок, утворюються заміною суфікса відповідного алкану (-ан) на суфікс (-ін), наприклад, етан — етін, пропан — пропін і т. д.

Назви ізомерних сполук (які мають однаковий елементний склад, але різну хімічну структуру) утворюють за правилами, наведеними нижче.

Найпростішим аліфатичним вуглеводнем, який може мати структурні ізомери, є С4Н10:

а) з нерозгалуженим вуглецевим ланцюгом

б) з розгалуженим

Відмінність між ними та, що в першому всі атоми вуглецю поєднано один з одним в одному ланцюжку, а в другому центральний атом вуглецю поєднаний одразу з трьома атомами вуглецю та лише з одним водню.

Перші члени ряду алканів — метан, етан і пропан — існують кожен лише в одній структурній формі. Кількість можливих структурних ізомерів зростає зі збільшенням кількості атомів вуглецю в алканах. Так, С4Н10 може мати лише два структурні ізомери, а С5Н12 має вже три. Слід звернути увагу на те, що кожен ізомер має іншу структуру вуглецевого скелета, що визначає різні їхні фізичні й хімічні властивості.

Згідно з номенклатурними правилами IUPAC, називаючи ізомери, слід розглядати їх як похідні від сполуки з найдовшим нерозгалуженим ланцюгом атомів вуглецю. Такий ланцюг називається основним, або кореневим. Він дістав кореневу назву відповідного алкану, алкену чи алкіну, який має таку саму кіль­кість атомів вуглецю, і відповідний суфікс -ан, -ен, -ін. На-
приклад, якщо основний ланцюг має три атоми вуглецю, він дістає кореневу назву проп-, якщо шість — то гекс- і т. д. Побічні ланцюги мають назви за групами (радикалами), які заміщують атоми водню в основному ланцюгу. Назви радикалів наведено вище.

На місце, де радикал—замінник водню приєднується до основ­ного ланцюга, вказує порядковий номер атома вуглецю в основному ланцюгу. При цьому рахувати починають з того боку основ­ного ланцюга, до якого замінник розміщено ближче. Цей порядковий номер має особливу назву — локант, оскільки локалізує місце приєднання побічного ланцюга до основного. Схему побудови назв ізомерів вуглеводневих сполук наведено в табл. 13.

Похідні органічних сполук утворюються заміщенням у вуглеводнях атома водню на так звані функціональні групи. За утворення спиртів такою функціональною групою є гідроксильна
(–ОН), альдегідів — альдегідна (), кислот — карбоксиль­на (), кетонів — карбонільна (–), амінів — амі-
ногрупа (), амідів — амідогрупа (), нітросполук — нітрогрупа (– NO2), ефірів (простих) — етоксирупа
(– С – О – С –) та ін.

Властивості (фізичні й хімічні) похідних сполук більшою мірою зумовлюються саме функціональною групою, ніж вуглеводнем, від якого вони походять. Назви похідних сполук утворюють від назв відповідного вуглеводню за допомогою спеціальних префіксів і суфіксів (табл. 14).

Таблиця 13

ПОСЛІДОВНІСТЬ ОПЕРАЦІЙ УТВОРЕННЯ НАЗВ ІЗОМЕРІВ ОРГАНІЧНИХ
РЕЧОВИН АЛКАНІВ ЗА МІЖНАРОДНОЮ СИСТЕМОЮ IUPAC

Зазначимо, що коренева частина назви похідних ароматичних сполук (—С6Н5) має системну назву «бензол», але її також називають феніл (як похідну від фенолу).

Наведемо деякі відомості щодо природних сполук живих організмів.

Таблиця 14

ФУНКЦІОНАЛЬНІ ГРУПИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК ТА ЇХНІ НАЗВИ

Жири — складні ефіри, які утворюються за конденсації трьохатомного спирту пропантріолу (гліцерину) і карбонових кислот, таких як октодеканова (стеаринова) і октодеценова (олеїнова).

Цукри — група природних сполук загальної формули . Представниками таких сполук є моносахариди: олігосахариди поєднуються в амілази й амінопектини (крохмаль).

Глюкоза й фруктоза мають загальну формулу С6Н12О6. Перша утворюється в процесі фотосинтезу.

Моносахариди об’єднуються в олігосахариди (від 2 до 10 моносахаридів), утворюючи мальтозу й сахарозу (С12Н22О11), які в кислому середовищі розщеплюються знову до моносахаридів.

За подальшої полімеризації утворюється одна з основних високомолекулярних складових рослин (деревина) — целюлоза (С6Н10О5)n, де n — ступінь полімеризації (до 40 тис.).

Структурна одиниця сахарози, мальтози, крохмалю й целюлози однакова.

Целюлоза може взаємодіяти з кислотами, утворюючи складні ефіри. З азотною — нітроцелюлозу (пластмаса, целулоїд, бездим­ні порохи), а з етановою (оцтовою) — ацетат целюлози (хімічні волокна).

Білки — найважливіша складова живої матерії. Будь-які прояви життя зв’язані з білками. Різні види білка побудовані з різних амінокислот. a-амінокислоти здатні утворювати в розчинах дві форми (таутомерія).

У лужних розчинах вони дисоціюють:

В іонному стані a-амінокислоти можуть утворювати солі типу

а також брати участь у реакціях заміщення:

Ця реакція може тривати далі, формуючи ланцюжки пептидів,

З поліпептидів складаються молекули білка. Розрізняють три види структури білків: первинну, яка характеризує амінокислотний склад a-амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюжку; вторинну — просторову форму ланцюжка; третинну — взаєморозміщення всіх поліпептидних ланцюжків у молекулі білка.

Стехіометрія, її закони та техніко-економічні
й екологічні розрахунки [37, 20—29], [163, Т. 1, 169—202]

Термін «стехіометрія» ввійшов у науку на початку ХІХ
сторіччя й походить від двох грецьких слів: στοιχειοn — «елемент» і μετρεω — «вимірюю». Сучасний зміст терміна «стехіометрія» можна сформулювати так: наука, що вивчає кількісний (елементний) склад речовин, їхній енергетичний стан та зміни, що відбуваються за їхнього перетворення як у природі, так і в промислових процесах. Базуючись на знаннях природничих законів, системи фізичних величин і номенклатури речовин, стехіо­метрія відіграє фундаментальну роль у пізнанні глибинних явищ
природи й отриманні різноманітних матеріалів для сучасного виробництва. Стехіометричні методи уможливлюють дослідження метаболічних процесів (перетворень речовини та енергії), які відбуваються у живих організмах, і відтак прогнозування змін екологічного характеру, котрі можуть статися під впливом антропогенних факторів на навколишнє середовище. У сучасній еконо­міці виробництво більшості продукції пов’язане з хімічним перетворенням вихідної сировини, і без глибокого знання стехіометрії неможлива організація ефективного (з погляду економіки та екології) технологічного процесу. Скільки та якої треба сировини для отримання заданої кількості добрив, полімерів чи пестицидів певного хімічного складу й скільки при цьому утворюється різного складу небажаних токсичних відходів, визначають тільки за допомогою стехіометрії.

Щоб більш переконливо довести непересічне значення стехіо­метрії для розв’язання сучасних проблем екології (і економіки), досить звернути увагу на той факт, що нині щороку синтезується майже півмільйона нових хімічних сполук — щохвилини нова речовина! З них майже 40 000 потенційно токсичних.

«Ну, а що мені до того?» — скаже дехто з тих, хто вивчає екологію чи економіку. Відповідь тут проста. Ні еколог, ні економіст не буде здатним без необхідних знань зі стехіометрії науково обґрунтувати свої міркування щодо нових економічних проектів, зокрема щодо балансу користі й витрат, які будуть наслідком реалізації проектів.

Пригадуючи основні поняття з хімії середньої школи, не так уже й складно самостійно здійснити стехіометричні розрахунки еколого-економічного змісту, знаючи, що стехіометрія базується на чотирьох основних природничих законах. Нагадаємо їх:

Закон збереження матерії (Лавуазьє, 1774) — це фундаментальний закон природи, згідно з яким:

матерія не виникає та не зникає за будь-яких перетворень.

Саме стехіометричне рівняння відображає цей закон у хімічних реакціях. Загалом можна стверджувати, що кількість і вид атомів, а також і маса речовини (реагенту), що вступає в реакцію, повністю зберігається в продуктах реакції. Саме це дає змогу поставити знак рівняння в матеріальному балансі реакції, де:

Маса реагентів = Маса продуктів реакції.

Але, щоб виконати розрахунки, треба знати закони, які визначатимуть склад і кількість продукту залежно від складу реагентів та умов перебігу реакції.

Закон сталості складу, або сталого відношення (Пруст, 1797). Згідно з цим законом:

Кожна хімічна сполука характеризується певним, тільки їй властивим, складом елементів, незалежно від умов і вихідних реагентів, з яких її утворено (природно чи штучно).

Отже, співвідношення маси елементів у її складі завжди є незмінною величиною. На основі цього закону стає можливим точне визначення поняття «речовина».

Проста речовина (хімічний елемент) — це сукупність атомів з однаковим зарядом ядра й однаковою кількістю електронів, але (можливо) з різною атомною масою (різними ізотопами).

Складна речовина — це хімічно стійка сполука сталого складу з будь-яких атомів. Вона характеризується індивідуальними фізико-хімічними властивостями. Фундаментальними поняттями стехіометрії є атомна (молекулярна) маса, кількість речовини, моль, молярний об’єм і деякі інші. Поняття атомна маса (вага) є фізичною величиною, а її одиницю — відносну безрозмірну характеристику — запроваджено в практику стехіометричних розрахунків задовго до того, як реальність існування атомів була доведена. Не спиняючись тут на цікавій історії визначення атомних мас, нагадаємо лише, що в перших варіантах періодичної таблиці, яка налічувала менше половини відомих нині хімічних елементів (60-ті роки ХІХ ст.), атомну масу найлегшого атома водню було взято за одиницю. Атомні маси всіх інших елементів визначалися як відношення мас кожного з них до маси атома водню. Пізніше за одиницю атомної маси було взято 1/16 маси атома кисню, що виявилося зручнішим для визначення інших атомних мас.

1961 р. було прийнято нову єдину шкалу відносних атомних одиниць мас (або просто атомних мас) — а. о. м., виходячи з 1/12 частки маси атома ізотопу вуглецю С. Відповідно до цієї шкали а. о. м. водню становить 1,0079, а кисню — 15,9994. Відносна молекулярна маса (скорочено — молекулярна маса) дорівнює сумі атомних мас атомів, що складають молекулу. У хімічних розрахунках широко користуються поняттям «кількість речовини», одиницею якої є моль. Нагадаємо, що фізична величина кількості речовини відображає характеристику будь-якої речовини за кількістю її складових — структурних одиниць (атомів, молекул, іонів, електронів та ін.). Одиниця кількості речовини — моль — це та кількість структурних одиниць, яка дорівнює кількості атомів у 12 грамах вуглецю С. Зрозуміло, що, використовуючи поняття «моль», потрібно в кожному конкретному випадку точно визначити, які структурні одиниці розглядаються, що зумовлює масу моля конкретної речовини.

Отже, незалежно від видів структурних одиниць у кожному молі їх кількість дорівнює кількості атомів у 12 г вуглецю — 6,02 · 1023 (числу Авогадро), а маса моля конкретної речовини в грамах буде кількісно дорівнювати її відносній атомній чи молекулярній масі (а. о. м.).

У Міжнародній системі SI маса одного моля речовини є одиницею фізичної величини — молярної маси (М). Визначальне рівняння ф. в. молярної маси , де М — молярна маса однорідної речовини; m — маса речовини; n — кількість речовини (молей).

Розмірність молярної маси:

Одиниця молярної маси:

Назва одиниці молярної маси — кілограм на моль.

Кілограм на моль дорівнює масі речовини, що за кількості речовини 1 mol має масу 1 kg.

Розмірність і одиниця молярного об’єму за аналогічними визначеннями: ;

;

Назва — кубічний метр на моль.

Кубічний метр на моль дорівнює молярному об’єму речовини, що за кількості речовини в 1 моль має об’єм 1 m3.

Закон Авогадро та еквівалентів. За законом Авогадро:

в однакових об’ємах будь-яких газів за однакових температури й тиску міститься однакова кількість молекул.

Цей закон мав велике значення в дослідженні молекулярної маси речовини та запровадженні поняття «моль». Саме на підставі закону було розроблено низку методів обчислення кількості атомів у молекулах різних речовин і зроблено висновок, що 1 mol будь-якого газу незалежно від кількості атомів у його молекулі за нормальних умов (101, 325 kPa i 0˚C) займає об’єм 22,4 l. З цього також зрозуміла суть спостережень Гей-Люссака (закон об’ємних відношень), що об’єми реагуючих газів відносяться один до одного й до об’ємів газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

Із закону сталості складу й закону еквівалентів випливає, що елементи складаються в хімічні сполуки в певних кількісних співвідношеннях, тобто масі кожного елемента сполуки відповідає точно визначена маса інших елементів, які входять до складу певної сполуки, — еквівалентна маса. У сучасній хімії еквівалентом елемента (або масою еквівалента) називають таку його кіль­кість (або масу), яка без залишку реагує з 1 молем (або масою
одного моля) водню.

Визначати еквівалент (або еквівалентну масу) речовини можна не тільки з його сполук із воднем, а й зі сполук з іншими елементами, еквівалент яких відомий.

Корисно знати, що за аналогією з поняттям еквівалентної маси на практиці буває зручно застосовувати поняття еквівалентний об’єм речовини, який відповідає її еквіваленту.

Наприклад, 1 mol двохатомного газу водню становить дві еквівалентні маси. Відтак об’ємний еквівалент газу водню становить 22,4 : 2 = 11,2 l/mol, відповідно, еквівалентний об’єм газу молекулярного кисню становитиме 22,4 : 4 = 5,6 l/mol. Виходячи з того, що еквівалентний об’єм речовини (газу) буде пропорційний відношенню масового еквівалента Е до молярної маси М, загальне рівняння для визначення об’ємного еквівалента за 273 К (0º С) і нормального тиску ~ 0,1 МРа (~ 760 мм рт. ст.) можна записати як

.

Розрахунки з використанням поняття об’ємного еквівалента в хімічних реакціях прості та зручні. Але якщо за використання еквівалентних мас результати розрахунків не залежать від параметрів тиску й температури реакційного середовища, то для розрахун­ків з еквівалентними об’ємами їх урахування обов’язкове.

Висновки

Згідно з розглянутими природничими законами у стехіометричних рівняннях кількість атомів, а отже, й маса речовини, що вступають у реакцію, дорівнюють кількості тих самих атомів і масі продуктів реакції. Це дає змогу виконувати розрахунки матеріального балансу хімічних перетворень речовини як у природних, так і в технологічних процесах. Як приклад візьмімо утво­рення аміаку.

1. Записуємо стехіометричне рівняння реакції (збалансоване коефіцієнтами) .

2. Визначаємо відносні молекулярні маси реагентів і продуктів реакції:

— 28, Н2 — 2, NH3 — 17.

3. Невідому масу чи об’єм будь-якого реагента чи продукту реакції, коли відома маса або об’єм одного з них, визначаємо за пропорцією відносних молекулярних мас чи кількості молей (за реакцією) і масою чи об’ємами реагуючих речовин відповідно в kg чи m3 (одне з них невідоме — Х). Наприклад, маси азоту й водню, які прореагують за утворення 1 t аміаку, визначимо з про-
порції:

 звідки ;

 звідки

Перевіримо правильність розрахунку: .

Об’єм газу бажаного компонента реакції, коли відомою є його маса, визначаємо, виходячи із закону Авогадро: об’єм одного моля газу за нормальних умов (ºС і 1 аt) дорівнює добутку відношення його маси до молярної маси (що дорівнює кількості речовини в молях) на об’єм одного моля .

У нашому прикладі об’єми  і  становитимуть відповідно:

;

Якщо наші розрахунки справедливі, то сума об’ємів азоту й водню має бути вдвічі більшою, ніж об’єм аміаку, оскільки за стехіометричною реакцією чотири молі реагуючих речовин ( і ) утворюють тільки два молі продукту .

Але спочатку треба визначити об’єм 1t аміаку:

.

Перевіримо відповідність розрахунків об’ємів стехіометричним:

 (у 2 рази).

Це і підтверджує правильність розрахунку.

Корисно взяти до уваги й використати для розрахунків об’єму реагуючих речовин іще один висновок із закону Авогадро: об’єми реагуючих газів і газу продукту відносяться між собою як їх стехіометричні коефіцієнти. Отже, знаючи будь-який об’єм газу реакції, можна одразу розрахувати інші. Наприклад, об’єм витраченого водню становить 1971 m3, звідси об’єм аміаку становитиме.

Різниця з вищенаведеним розрахунком несуттєва — , тобто цей метод забезпечує точність до другого знака після коми.

Аналогічними схемами розрахунків ми користуватимемось у наступних розділах.

Термохімічні закони стехіометрії

Термохімічні закони (або закони термохімії) є однією з форм виявлення фундаментального закону природи — закону збереження й перетворення енергії.

Відомо, що під час перетворення речовин у природі, лабораторії чи у виробничих процесах обов’язково відбувається виділення або поглинання тепла. Процеси перетворення речовини з виділенням тепла (екзотермічні процеси) відбуваються від свого початку й до кінця довільно, наприклад, процеси окиснення (горіння) органічних сполук, нейтралізація кислот лугами, корозія металів та ін.). Деякі з таких процесів, щоправда, потребують підведення іззовні певної кількості енергії, щоб розпочався довільний екзотермічний процес, наприклад, запалювання деревини чи вугілля, проте кількість виділеної в процесі їх горіння енергії набагато перевищує кількість підведеної енергії. Інші реакції, навпаки, потребують безперервного підведення зовнішньої енергії, щоб реакція не припинялася (ендотермічні процеси). Прикладом такої реакції може бути розкладання триоксокарбонату кальцію (СаСО3) на оксид кальцію та діоксид вуглецю.

З огляду на закон збереження енергії виникає питання про джерело енергії екзотермічних процесів перетворення речовини та про причини поглинання (перетворення) енергії в ендотермічних процесах.

Виділення теплоти за взаємодії різних речовин дає підставу визнати, що ці речовини ще до реакції мали певну енергію в прихованій формі. Така форма енергії, яку приховано в речовині та яка вивільняється під час хімічних, а також деяких фізичних процесів (наприклад, конденсації пари або кристалізації рідини), називається внутрішньою енергією речовини.

Докладніше це явище обговорюватимемо, вивчаючи термодинаміку хімічних реакцій.

Розділ науки, який вивчає теплові ефекти перетворення речовини (у хімічних реакціях), має назву термохімія.

Результати термохімічних вимірювань — теплові ефекти реак­цій — прийнято відносити до одного моля речовини, що утво-
рюється. Кількість теплоти, яка виділяється або поглинається під час утворення одного моля сполуки з простих речовин, називається молярною теплотою утворення певної сполуки. Наприклад, вираз «теплота утворення води дорівнює 285,8 kJ/mol» означає, що в процесі утворення 18 g рідкої води з 2 g водню та 16 g кисню виділяється 285,8 kJ.

Якщо елемент може існувати як кілька простих речовин, то, розраховуючи теплоту утворення, цей елемент беруть у вигляді тієї простої речовини, яка за певних умов найстійкіша. Прийнято вважати, що теплоти утворення найстійкіших за певних умов простих речовин дорівнюють нулю. Теплоти ж утворення менш стійких простих речовин дорівнюють теплотам утворення їх зі стійких. Наприклад, за звичайних умов найстійкішою формою кисню є молекулярний кисень О2, теплота утворення якого дорів­нює нулю. Теплота ж утворення озону О3 дорівнює 142 kJ/mol, оскільки в процесі утворення з молекулярного кисню одного моля озону поглинається 142 kJ.

Теплові ефекти можна включати в рівняння реакцій. Хімічні рівняння, у яких зазначено кількість теплоти, що виділяється або поглинається, називаються термохімічними рівняннями. Так, теплота утворення водяної пари дорівнює 241,8 kJ/mol; відповідне термохімічне рівняння має вигляд:

Зрозуміло, що різниця між теплотою утворення рідкої води (+ 285,8 kJ/mol) і водяної пари (+ 241,8 kJ/mol) є теплотою випаровування води за 25ºС, віднесеною до одного моля.

Теплота утворення оксиду азоту (ІІ) від’ємна й дорівнює — 90,25 kJ/mol. Відповідне термохімічне рівняння має вигляд:

 або .

Розглянемо два основні закони термохімії, які відображають закон збереження енергії і відіграють важливу роль у розрахунках теплових балансів природничих і технологічних процесів.

Перший закон термохімії стверджує, що:

тепловий ефект прямої реакції дорівнює за абсолютним значенням тепловому ефекту зворотної реакції, але є протилежним за знаком.

Другий закон термохімії (закон Гесса) відповідно до викладених раніше визначень можна сформулювати так:

тепловий ефект низки послідовних перетворень речовин не залежить від продуктів проміжних стадій, а лише від енергетичного стану вихідних реагентів і кінцевих продуктів.

За законом Гесса сформульовано правило:

тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумою теплоти утворення продуктів реакції та сумою теплоти утворення вихідних реагентів.

При цьому слід ураховувати коефіцієнти реакції та знак теплового ефекту й пам’ятати, що теплота утворення простих речовин дорівнює нулю.

Наприклад, у реакції відновлення заліза з оксиду (Fe2O3 + + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2) тепловий ефект Q становитиме:

Закон Гесса дає змогу визначити тепловий ефект перетворень кристалічної будови речовини, коли його безпосередньо не можна виміряти, наприклад, за перекристалізації (алотропного перетворення) вуглецю з алмазу в графіт:

.

Для визначення Q треба порівняти теплові ефекти реакцій згоряння алмазу й графіту:

.

Якщо середовище отримує енергію (екзотермічна реакція), то тепловий ефект позначаємо знаком «+», і, навпаки, якщо енергія з навколишнього середовища поглинається, то тепловий ефект позначаємо знаком «–». Але в термодинаміці, яку ми будемо розглядати пізніше, тепловий ефект (ентальпія ) позначається за екзотермічних реакцій знаком «–» (), а за ендотермічних, навпаки, знаком «+» (). Наприклад, ендотермічна реакція водяної пари та коксу може бути виражена двома рівнозначними записами:

;

.

Структурно-логічні схеми Й ВИСНОВКИ
для повторення розділу 1.2.4

І. Класифікація та принципи побудови.

ІІ. Номенклатури речовин (тривіальна та системні).

ІІІ. Побудова назв неорганічних речовин за IUPAC.

IV. Побудова назв органічних речовин.

висновки

1. В екологічних і економічних системах біосфери Землі наука ідентифікувала понад три мільйони індивідуальних хімічних речовин, які динамічно переміщуються, взаємодіють, розпадаються в процесах природного кругообігу й технологіях промислового виробництва. До цього нині щорічно в лабораторіях синтезують тисячі нових хімічних речовин з різними, у тому числі високоток­сичними, властивостями. Для їх раціонального й безпечного використання в економічній діяльності та ефективного екологічного захисту екосистем необхідна точна система найменувань, яка б однозначно вказувала на їхній хімічний склад і властивості.

2. Класифікацію речовин і розроблення системи їхніх назв, тобто номенклатури, постійно здійснює Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії IUPAC (ІЮПАК).

3. Нині найбільш поширені дві близькі за змістом номенклатури — IUPAC і ASE. Останню розроблено Асоціацією наукової освіти. Обидві системи вможливлюють за формулою однозначно назвати речовину, і навпаки — за назвою написати її хімічну фор­мулу як найбільш сталу її характеристику.

4. Стехіометрія — основа кількісного визначення речовини в процесах її утворення й розкладу як у живих організмах, так і у виробничих процесах економічної діяльності. Стехіометричні методи й розрахунки базуються на природних законах збереження матерії та енергії.

5. Без таких знань основ стехіометрії неможливо об’єктивно проаналізувати (чи опрацювати) будь-який бізнес-план економіч­ної діяльності з процесами матеріально-енергетичного перетворення складу речовини.

Контрольні запитання ТА вправи для самоперевірки знаньдо підрозділів 1.2.2 і 1.2.3

1. У чому полягає відмінність між поняттями: розмір фізичної величини та її розмірність?

2. Яка з одиниць фізичної величини радіоактивності має більший розмір — беккерель (Bq) чи кюрі (Сі)? Яке їх співвідношення?

3. Яким фізичним величинам відповідають наведені розмірності? Які з них основні, а які похідні:

.

4. Яким фізичним величинам відповідають назви одиниць і як вони визначаються: паскаль, грей, кінська сила, атмосфера, рад, ват, джоуль, зіверт, калорія, бер, беккерель на кілограм, кюрі на кубічний метр, кель­він, джоуль на моль, градус Цельсія?

5. Виберіть із попереднього контрольного питання одиниці фізичних величин SI та відповідні позасистемні одиниці тієї самої фізичної
величини. Знайдіть розрахунковим способом співвідношення між ними.

6. Назвіть числові префікси й відповідні множники: М, μ, m, k, G, n. Наведіть приклади використання цих префіксів для найменувань кратних і часткових одиниць.

7. Знайдіть неправильну назву одиниць: m/s2 — метр за секунду в квадраті, m/s — метр за секунду, eV — електроновольт,  — кілограм-метр,  — ньютон на квадратний метр.

8. Напишіть умовні позначення одиниць: кіловат на метр-кельвін, електрон-вольт, кілограм за секунду, моль за секунду на кубічний метр.

9. Які одиниці SI відповідатимуть одиницям: унція, миля, британ-
ська одиниця теплоти, барель, фут, фунт, кюрі, бер, атмосфера, калорія, дюйм, тонна регістрова, градус Боме, градус Фаренгейта?

10. Визначальні рівняння яких фізичних величин наведено нижче:

;           ;           ;

11. Назвіть одиниці фізичних величин із запитання № 10.

12. Що означають абревіатури та скорочення: SI, MKC, о. ф. в., ГКМВ, МБМВ, dim, а. о. м., СІ?

13. Що є спільного та в чому відмінність між поняттями: фізична величина й одиниця фізичної величини; dimension і розмір фізичної величини; сила і вага; 1 kg маси і 1 kg ваги; маса речовини й кількість речовини; 1°С і 1 К (відповідаючи на останнє, будьте уважні!)?

14. Визначте найбільший та найменший розмір фізичної величини потужності (поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — 40 MJ / s;

Б — 1 kW·h / s;

В — 100 к.с. (кінських сил);

Г — 10000 kcal / s.

15. Визначте з наведених виразів дві правильні розмірності (dim) фізичної величини енергії:

А —    L-1MT2 / T 4L-3 ;       В —    LMT2 / T4 ;

Б —     L2MT2 / MT; Г —     L2MT -2.

16. Визначте з наведених найбільший і найменший розміри фізичної величини маси (поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — унція комерційна (oz);

Б — центнер метричний;

В — центнер довгий (ch cwt);

Г — унція трійська (oz tr).

17. Який з наведених нижче розмірів фізичної величини питомої теплоти згорання найбільший і найменший? (поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — 10000 kcal / kg; В — 40 kW·h / kg;

Б — 40 MJ / kg;          Г — 40 kW·h / m3.

18. Заповніть пропуски табл. 15 за зразком  1-го і 2-го рядків.

Таблиця 15

Приклади розв’язування задач

Задача 1. Якої висоти треба було б збудувати греблю гідроелектростанції (ГЕС) на Дніпрі, щоб її гідроелектрогенератор мав потужність таку, як сучасний атомний реактор 1000 MW (типу Чорнобильського РБМК 1000) за умови, що витрата води за секунду становитиме половину стоку Дніпра в районі Київської ГЕС — близько 500 m3/s .

Розв’язання. Потужність гідроелектрогенератора W визначається масою води, яка надходить до турбіни за час (t), висотою греблі h(m), прискоренням вільно падаючого тіла (g) і коефіцієнтом конверсії η.

            звідки

Підставивши числові значення з відповідними одиницями наведених фізичних одиниць, отримаємо:

Тут ми натрапляємо на складність перевірки правильності одиниці фізичної величини правої частини рівняння — метр. Найпростіше це зробити, якщо виразити фізичні величини рівняння їхніми розмірностями (потужності, часу, маси та прискорення): .

Задача 2. Танкер, промиваючи трюми, скинув в океан 4t дизпалива. Яку площу S поверхні океану покриє його пляма, якщо врахувати, що звичайна товщина h плівки дизпалива дорівнюватиме двом (умовно) діаметрам молекул його вуглеводню, а густина дизпалива .

Розв’язання. Обрахуємо за визначальним рівнянням , де V — об’єм палива, а h — товщина плівки. Об’єм визначаємо з рівняння

.

Розмір (діаметр) молекули вуглеводню палива беремо за , тоді , а площа плями

.

Діаметр такої нафтової плями визначаємо з формули площі , звідки

Задача 3. Як визначити (розрахувати) процентний вміст компонента А у двохкомпонентному сплаві АВ, користуючись тільки знаннями, засвоєними під час вивчення систем фізичних величин? Наприклад, як розрахувати вміст золота в сплаві зі сріблом (такий сплав називається електроном), коли відомі маса сплаву mсп і його об’єм Vсп?

Розв’язання. Позначимо невідомі нам маси та об’єми золота й срібла mAu і VAu; mAg і VAg, а відомі (з довідника) фізичні величини густини —  і . Виразимо маси компонентів через густину та об’єм: ; , а сплаву  і запишемо рівняння: . Замінимо VAg на  і, підставивши в рівняння, вирішимо його відносно одного невідомого — об’єму золота в сплаві VAu:

Підставивши значення VAu у визначальне рівняння маси  отримаємо значення маси золота в сплаві та його вміст, % (маса срібла становитиме відповідно ), тобто % золота в сплаві = .

А якщо виріб з електрона має складнофасонну ажурну форму, об’єм якої нам невідомий? За легендою, така проблема стояла колись перед геніальним Архімедом, коли йому доручили перевірити, чи не вкрали ювеліри золото, виготовляючи царську корону з електрона. Поміркуйте, як він розв’язав таку задачу.

Задача 4. У квітні 1995 р. засоби інформації повідомили, що в Німеччині було затримано злочинців, які мали при собі близько 1 kg радіоактивного плутонію Рu. Підкреслювалося, що цього було б достатньо, щоб отруїти всі водоймища країни! Якщо так, то скільки атомів плутонію налічувалось би в 1 літрі води, коли б його розчинити навіть у такому великому басейні, як Каспійське море? Візьмімо об’єм такого басейну за 100 000 km3.

Розв’язання. Ми знаємо, що одиниця кількості речовини () — це mol, що налічує  будь-яких структурних одиниць речовини. У нашій задачі це атоми Рu, молярна маса якого 239 g/mol. Кількість n атомів плутонію в 1 літрі води  визначаємо, виходячи з даних: маса Рu = 1000 g; об’єм води (розчинника) , кількість атомів в 1 mol (число Авогадро)

.

Відповідь: 25 млн атомів в одному літрі.

Задача 5. Зробіть (не користуючись довідником) розрахунок густини  за нормальних умов таких речовин: СН4, С2Н2, С4Н10.

Розв’язання. Згідно з законом Авогадро однакові об’єми газу містять однакову кількість молекул. Тобто один моль будь-яких газів (молекул) займає однаковий об’єм 22,4 l або . Отже,

Задача 6. Як без довідника визначити, скільком джоулям дорівнює одна кіловат-година (kW · h)?

Розв’язання. Замінимо в позначенні одиниці енергії «кіловат-година» ват (W) на відношення «джоуль за секунду» (J/s), а годину (h) на секунди.

Отже, 1 кіловат-година дорівнює 3,6 MJ.

Досвід показує, що вміння за допомогою розрахунків визначити співвідношення різних одиниць тієї самої фізичної величини практичніше, ніж формальне запам’ятовування коефіцієнтів.

Задача 7. (Комплексна)

Методичні поради до розв’язання задачі. Уважно перечитайте умову, з’ясуйте логічний взаємозв’язок між фізичними величинами через їхні визначальні рівняння й коефіцієнти співвідношення одиниць різних систем, виберіть узгоджені одиниці. Ліпше, якщо всі вони без винятку відповідатимуть системі SI. Приступаючи до розв’язання задачі (до аналізу наведеного розв’язання) і виходячи з розуміння явищ за законами збереження енергії та матерії, зверніть увагу на неформальний підхід за принципом логічного зв’язку фізичних величин, які послідовно вводяться в алгоритм рівнянь матеріального чи енергетичного балансу відносно невідомого розміру визначеної фізичної величини. Ця задача дає змогу переконатися в зручності й плідності застосування поняття «розмірність фізичних величин» в опрацюванні алгоритму розрахунку й перевірки правильності запису рів­няння.

Умови задачі. Улітку на вулицях великого міста в середньому (умовно) цілодобово перебуває в русі 10 000 автобусів, легкових і вантажних автомобілів із приведеною потужністю двигунів 100 к. с., що реалізується в середньому на 0,5 номінального значення потужності.

Треба розрахувати (орієнтовно):

1) скільки буде витрачено за добу літрів ( l ) пального з питомою теплотою згоряння g = 40 MJ/kg, густиною r = 0,8 kg/1 за коефіцієнта конверсії енергії згорання пального в механічну роботу двигуна h = 0,25.

2) скільки тепла від згоряння палива надійде на вулиці міста;

3) скільки повітря буде «пропущено» через двигуни автомашин і викинуто забрудненим токсичними оксидами вуглецю, азоту і канцерогенними сполуками в навколишнє середовище;

4) об’єм (m3) діоксиду вуглецю у вихлопних газах.

Розв’язання задачі. Опрацьовуючи перше питання, міркуємо так. Згідно із законом збереження енергії тепло (енергія) згоряння пального витрачатиметься на роботу двигуна й передаватиметься в навколишнє середовище.

Візьмімо до уваги, що маса пального, витраченого одним двигуном, дорівнюватиме добутку об’єму (V) на густину пального (). Роботу двигуна за годину визначимо через добуток потужності (Р) на час (t). Підставивши відповідні коефіцієнти, запишемо рівняння балансу енергії за добу: ліворуч — тепло (енергію використаного пального), праворуч — роботу (енергію) двигуна умовного автомобіля. Енергія пального буде пропорційною масі витраченого пального за годину  і питомій теплоті згоряння — .

Робота (енергія) двигуна пропорційна потужності — Р (J/s) і часу t (s), що становитиме тільки частку від енергії, виділеної паль­ним. Отже, у рівнянні коефіцієнт конверсії η буде в знаменнику. При цьому, пам’ятаємо, що потужність двигуна машини за умовою задачі реалізується тільки на половину (0,5 ∙ 100 к.с.). Запишемо рівняння балансу енергії за добу (86 400 s) у формі позначень фізичних величин:

            (1)

Відтак об’єм витраченого пального дорівнюватиме:

            (2)

Підставимо замість позначень фізичних величин у рівняння (2) їхні розміри (числове значення й одиниці), подані в умові задачі з відповідними коефіцієнтами до одиниць SI, і матимемо витрати пального в літрах на один двигун за одну добу.

            (3)

Перевіримо правильність складеного алгоритму (рівняння 3), підставивши розмірності відповідних фізичних величин:

            (4)

Після скорочення відповідних розмірностей дістанемо в правій частині рівняння (4), як і у лівій, розмірність об’єму. Отже, , що свідчить про правильність алгоритму. Після цього визначаємо числове значення об’єму в літрах (рівняння 3). Звернімо увагу, що за скорочення одиниць фізичних величин одиниці часу (s) скоротяться з одиницею часу потужності, вираженої через відношення роботи до часу . Не залишаймо без уваги кратні приставки (k, М).

Результат обчислення рівняння (3) дає відповідь ~ 300 l за добу, що в перерахунку на 10 000 машин становитиме , майже 3 млн літрів (~ 2400 тонн).

Розв’язуючи друге питання задачі щодо надходження теплової енергії в навколишнє середовище, отже, визначення частки втраченої енергії Qвтр. при згорянні палива QП., запишемо рівняння за даними задачі з урахуванням коефіцієнта конверсії η:

,           (5)

або використавши фізичні величини:

.           (6)

Підставимо в наведене рівняння розміри фізичних величин (числові значення й одиниці).

            (7)

Перевіримо правильність алгоритму (за розмірностями), як це було зроблено в розв’язанні першого питання.

.           (8)

За результатом обчислення рівняння (7) маємо втрати тепла в навколишнє середовище . Цієї енергії достатньо, щоб підігріти майже 170 t води до температури 100°С. Спробуйте підтвердити таку ілюстрацію витрат енергії відповідним розрахунком.

Відповідь на третє питання потребує використання стехіометричного рівняння горіння пального відповідно до його складу:

;           (9)

.           (10)

Визначимо маси вуглецю mС і водню  у витраченому паль­ному відповідно до його процентного складу: 85 % С і 15 % Н.

.

За пропорцією молярних мас вуглецю й кисню та їхніх мас (kg) визначимо витрати кисню повітря за стехіометричними рівняннями (9) і (10):

            звідки

Відповідно маса кисню повітря на спалювання водню пального становитиме:

Разом витрата кисню на спалювання всього пального дорівнюватиме:

Виходячи зі складу повітря за масою (кисень 23 %), визначимо масу повітря mпов. (разом з азотом)

Об’єм повітря Vпов. визначимо через його масу mпов. і густину

Відповідно до стехіометричних рівнянь об’єм відпрацьованих газів (вихлопу) буде дещо більшим за об’єм повітря (Vпов.). Обмір­куйте це твердження.

Об’єм діоксиду вуглецю  визначимо, виходячи з рівняння (9) відносно маси окисленого вуглецю пального, що її вже було розраховано ; ;

,

що становитиме за об’ємом  (за ):

Отже, на кожну людину мільйонного міста за добу автотранспорт викидає майже 4000 літрів вихлопних газів зі вмістом токсичних оксидів вуглецю й азоту (CO, NO2 і NO) 4 літрів.

Задачі для самостійного розв’язування

Задача 1. Скільки треба витратити kW×h електроенергії, щоб підігріти 10 kg води від 0°С до кипіння за коефіцієнта конверсії енергії — 0,7?

Задача 2. Розрахувати витрати енергії (в J, kW×h, kcal) за час роботи електромотора потужністю 60 W протягом 8 год.

Задача 3. За 2 години людина робить 14000 кроків, виконуючи з кожним кроком роботу в 40 J. Яку потужність розвиває людина під час ходіння та яка калорійність харчових продуктів необхідна для компенсації витраченої енергії? (Коефіцієнт конверсії енергії харчів в роботу руху — 0,25).

Задача 4. Потужність, яку розвиває річкове судно, становить 1200 kW за h = 0,3. Знайти витрати дизельного палива на 1 km шляху при швидкості 70 km/h. Додаткові, необхідні для розрахунку дані, відшукайте в таблицях розділу.

Задача 5. Після аварії на Чорнобильській АЕС у 1986 р. потужність АЕС зменшилася на 2000 MW. Скільки додатково треба б було щодобово спалювати вугілля (q =25 MJ/kg, h = 0,3 , ціна $ 40/ t ) на ТEC, щоб компенсувати втрату потужності на АЕС?

Задача 6. Питома теплота спалювання бутану (С4Н10) становить 48 MJ/kg, а молярна теплота спалювання метану — 800 kJ/mol. Скільки кубічних метрів метану (СН4) потрібно спалити, щоб отримати теплову енергію, еквівалентну отримуваній під час спалювання 10 t бутану. Що вигідніше використовувати, якщо відомо, що 1000 m3 С4Н10 (за н.у.) коштує $ 120, а СН4 — $ 80.

Задача 7. З метою поліпшення екологічного стану вирішено закрити котельню, яка за сезон спалювала 100 t вугілля q = 27 MJ/kg вартістю n грн. за 1 t з коефіцієнтом конверсії h = 0,4. Нагрівання приміщень планується забезпечити електропанелями. Ціна 1 kW×h 0,2 грн. Знайдіть алгоритм розрахунку економічної ефективності (чи збитків) заміни джерела енергії. Скільки діоксиду сірки викидала котельня (m3) за рік, якщо вміст сірки у вугіллі становив 4 %?

Задача 8. Визначте (орієнтовно) витрати на пальне (бензин) для виконання роботи навантаження автокраном на машини 1000 бетонних блоків (об’єм блоку 1 m3, r = 2000 kg/m3), піднімання блоків на висоту 4 m, вартість пального 2 гривні за літр. Додаткові, необхідні для розрахунку дані, відшукайте в таблицях розділу.

Задача 9. З метою поліпшення екологічного стану вирішено замінити в котельні вугілля на природний газ (метан ). За сезон котельня спалювала 100 t вугілля q = 25 MJ/kg вартістю 40 грн за 1 t з коефіцієнтом конверсії h = 0,25. Опрацюйте алгоритм розрахунку економічної ефективності (чи збитків) заміни енергоносія. Скільки діоксиду сірки викидала котельня (m3) за рік, якщо вміст сірки у вугіллі становив 2 %? Додаткові, необхідні для розрахунку дані, відшукайте самостійно в тексті й таблицях розділу.

Задача 10. У таксомоторному об’єднанні налічується 50 автомобілів із середньою потужністю 80 к.с. Кожна машина експлуатується протягом 10 годин без вихідних. Питома витрата палива для двигуна 200 g / kW×h. Розрахувати масу бензину, що потрібна об’єднанню на рік.

Задача 11. Визначити масу бурого вугілля 18 МJ/kg, яку треба витратити для виробництва 10 t водяної пари, якщо відомо, що на випаровування 1 t води потрібно 5,4 × 105 kcal енергії, а коефіцієнт корисної дії котла 0,33.

Задача 12. Скільки треба витратити kWh електроенергії, щоб підігріти 10 kg води від 0°С до кипіння за коефіцієнта конверсії енергії — 0,7?

Задача 13. За 2 години людина робить 14000 кроків, виконуючи з кожним кроком роботу в 40 J. Яку потужність розвиває людина під час ходіння та яка калорійність харчових продуктів необхідна для компенсації витраченої енергії?

Задача 14. У пресі наводяться дані радіаційного забруднення поверхні землі в різних одиницях: наприклад, 10 Ci/km2, 36 Г(Bq/km2). Яку фізичну величину вимірюють цими одиницями? Яке з наведених значень більше й у скільки разів?

Задача 15. З метою поліпшення екологічного стану вирішено закрити котельню, яка за сезон спалювала 100 t вугілля (q = 27 MJ/kg2) вартістю n грн. за 1 t з коефіцієнтом конверсії h = 0,2. Нагрівання приміщень планується забезпечити електропанелями. Ціна 1kW · h — m грн. Знайдіть алгоритм розрахунку економічної ефективності (чи збитків) заміни джерела енергії. Скільки діоксиду сірки викидала котельня (m3) за рік, якщо вміст сірки у вугіллі становив 4%?

Задача 16. Кожної п’ятниці радіо України інформує про радіаційний стан (потужність експозиційної дози g-випромінювання) в окремих містах. У Києві, як правило, вона становить 0,013 мілірентген на годину. Якому чисельному значенню буде відповідати розмір цієї фізичної величини, якщо її виразити в одиницях SI?

Задача 17. Після аварії на Чорнобильській АЕС у 1986 р. забруднення деяких районів радіонуклідами становило до 50 кюрі на квадратний км (50 Сі/km2). Скільки атомів радіоактивних елементів розпадалося на кожному квадратному метрі за одну секунду? Яка радіоактивність 1m2 в одиницях SI?

Задача 18. Використовуючи дані табл. 5, знайдіть об’єм повітря, використаного для спалювання всієї маси вугілля, що видобувається щороку в Україні та у Франції. Порівняйте кількість утвореного діоксиду вуглецю на душу населення в цих країнах.

Задача 19. Відомо, що тютюн містить радіоактивні елементи. За даними вчених Массачусетського університету (США) людина, яка викурює три пачки сигарет за кожні два дні, отримує дозу опромінювання близько 300 мілібер, що приблизно дорівнює опромінюванню під час флюорографії. Оцініть (приблизно), у скільки разів більшу дозу опромінювання за рік отримує такий курець порівняно з некурцем за умов, що сумарна доза радіації, яка поглинається всім тілом людини протягом року, не перевищує 5 mSυ (мілізівертів).

Задача 20. Визначте розмір ф.в. енергії (роботи, J i kWh) і потужності (kW) та вартість витраченої електроенергії за умов: перекачати 1000 m3 розчину (густина 2 kg/l) на 10 поверх (30 m) за 1 годину, ціна 1 kWh =
= 0,2 г.о.

Задача 21. Визначте розмір ф.в. енергії (роботи, J i kWh) і потужності (kW) та вартість витраченої електроенергії за умов: перекачати 1000 галонів розчину солі (густина 1,2 g/cm3) на 5 поверх (15 m) за 5 годин, ціна 1 kWh = 0,3 г.о.

Задача 22. Визначте розмір ф.в. енергії (роботи, J i kWh) і потужності двигуна (у kW і к.с.) та витрати бензину (q = 40 MJ/kg) за умов: підняти на поверхню моря з глибини 100 футів золоті зливки (густина 20 kg/cm3) об’ємом 1 m3 за 1 годину. Ціна 1 літра бензину 0,2 г.о. Визначте вартість піднятого золота за винятком ціни бензину (1 OZ = $ 300).

Задача 23. На добу ТЕС потребує 1000 тонн умовного палива. Визначте енергію, яку виробляє ТЕС за 100 днів, її ціну (ціна 1 kWh = 0,2 г.о.) та потужність (kW). Скільки тонн вугілля (q = 20 MJ/kg) з к.к.д. = 0,3 потрібно витратити за добу і яка його вартість? Ціна вугілля 30 у.о./ t.

Задача 24. За сезон (100 днів) котельня виробляє теплову енергію еквівалентну 100 тоннам умовного палива. Визначте теплову енергію (kcal), яку виробляє котельня за добу, її ціну (ціна 1 kcal = 2 г.о.) та потужність (kW). Скільки тонн мазуту (q = = 40 MJ/kg) з к.к.д. = 0,25 потрібно витратити за сезон і яка його вартість? Ціна мазуту 40 у.о./ t.

Контрольні запитання та вправи для самоперевірки знань з номенклатури речовин і стехіометрії

1. Поясніть термін «номенклатура» й наведіть приклади його використання в різних контекстах (див. термінологічний словник).

2. Які назви позначають абревіатури IUPAC і ASE та яке відношення вони мають до номенклатури речовин?

3. У чому полягає зв’язок між хімічною формулою речовини та її назвою за міжнародною системою IUPAC?

4. Яка різниця в порядку читання назв хімічних формул складних речовин за англійським і українським (французьким, російським) варіантами?

5. За яким правилом системи IUPAC будуються назви складних неорганічних речовин, що в них негативну складову (аніон) репрезентовано одним елементом? Який використовують суфікс -ід(ид) чи -ат? Наведіть приклади.

6. За яким правилом будуються назви складних неорганічних речовин, негативну складову яких репрезентовано двома чи біль­ше елементами (наприклад, солі різних кислот)? Наведіть приклади.

7. Напишіть систематичні назви наведених нижче речовин за правилом числових префіксів (IUPAC) — О2, Fe3O4, CaCO3, NaCl, Al2O3, TiC, Ca3(PO4)2 і за правилом Штока — MnO, Mn2O7, FeCl2, FeCl3, CuNO3, CuSO4.

8. Міжнародна система номенклатури речовини IUPAC базується на традиційних назвах елементів як найбільш сталих характеристиках речовин; числові префікси формул у назвах речовин походять від латинських слів, для одноелементних негативних складових формули завжди використовується суфікс -ат, а двох і більше елементних -ід(ид). Чи правильне це твердження? Якщо ні, то вкажіть на помилки.

9. Наведіть приклади формування назв неорганічних речовин за структурно-логічною схемою.

10. Заповніть у таблиці 16 пропущені назви й відповідні формули (за зразком рядка 1 таблиці).

Таблиця 16

а) неорганічні речовини

б) органічні речовини

11. За яким принципом побудовано класифікацію органічних речовин? Назвіть чотири основні класи й наведіть приклади назв органічних речовин з усіх чотирьох класів.

12. Чим відрізняються (з погляду інформативності) молекуляр­на (емпірична) формула органічної речовини від структурної.

13. Наведіть приклади ізомерів (табл. 13).

14. Назвіть основні функціональні групи органічних речовин (табл. 10).

15. Користуючись таблицею 14, поясніть схеми побудови назви (за IUPAC) органічних речовин, похідних від вуглеводнів.

16. Поясніть відмінність між стехіометричним рівнянням і записом напрямку перебігу хімічної реакції. Які основні закони природи відображає стехіометричне рівняння?

17. Як змінюється енергія (температура) реакційного середовища за перебігу екзотермічних і ендотермічних реакцій? До якого типу належать реакції окислювання? Наведіть приклад.

18. За яким принципом використовують стехіометричні рівняння для розрахунку викидів вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння, утворення діоксиду вуглецю й сірки під час згоряння вугілля в котельнях і теплових електростанціях?

19. Розрахуйте, скільки тонн діоксиду сірки викидається в повітря за спалювання 100 t вугілля, зі вмістом S — 2 %. Який об’єм утвореного діоксиду SO2? Для розрахунку об’єму слід використати поняття моль, молярна маса й закон Авогадро.

20. Чи будуть однаковими об’єми газу, що утворилися за згоряння (окислення) однакової маси вуглецю й сірки? Якщо різні, то який об’єм буде більший?

21. Якщо в ізольованому (герметичному) об’ємі повітря кімнати 100 m3 спалити 1 kg зрідженого чистого метану, то як зміниться хімічний склад повітря кімнати і його тиск?

22. Поясніть суть закону Авогадро. Як можна його використати для розрахунку густини різних газів?

23. Розрахуйте масу кисню в приміщенні об’ємом 100 m3. Скіль­ки глюкози в організмі людини він може окислити під час дихання?

24. Визначте, у якій речовині (добриві) вміст азоту (%) найбільший і найменший (Поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — нітрат амонію; В — аміак;

Б — триоксонітрат амонію; Г — триоксонітрат калію.

25. Визначте речовини з найбільшим і найменшим вмістом заліза (поставте відповідні позначки «б» та «м»): .

А — триоксид дизаліза;       В — монооксид заліза;

Б — тетраоксид тризаліза;   Г — дихлорид заліза?

26. Яка речовина містить у 100 kg більшу масу вуглецю і яка
меншу?

А — вапняк (крейда);           В — диоксид вуглецю;

Б — природний газ метан;   Г — монооксид вуглецю?

Номенклатура речовин (або хімічна номенклатура), як і система фізичних величин у метрології, — це система термінологічних правил і стандартів найменувань різних хімічних речовин. Сучасна номенклатура хімічних речовин є інформаційно містким і достовірним засобом характеристики хімічного складу, структури та властивостей речовин, вона сприяє уніфікації понять різних галузей науки й практики, чіткішому взаєморозумінню економістів, екологів і техніків, плідній інтеграції різних наук.

Існує дві найпоширеніші міжнародні системи хімічної но-
менклатури: система Міжнародного союзу теоретичної і прикладної хімії — IUPAC і система, розроблена Міжнародною Асоціацією наукової освіти ASE [163, Т. 1, 179, Т. 2, 309]. Обидві системи мають багато спільного. Найважливішою вимогою до будь-якої номенклатури речовин є однозначність відображення в назві речовини її хімічного складу й структури, тобто наявність тільки однієї назви для речовини одного хімічного складу. Тривіальна термінологія не дотримується цього. Наприклад, назви «вапняк», «карбонат кальцію», «вуглекислий кальцій», «крейда», «мармур» відповідають речовині одного складу СаСО3, те саме стосується і речовини з формулою  — «сульфат міді», «сірчанокисла мідь», «гідрат сульфату міді». Тривіальні назви виникли внаслідок емпіричного підходу до їх утворення.

Ще й досі різні галузі науки віддають перевагу тим чи іншим назвам речовин, які закріплюються у свідомості людей, і так само, як і позасистемні назви одиниць фізичних величин у метрології, утруднюють інформацію та спілкування представників різних галузей знань і формування інтегрованих знань. Зрозуміло, це не сприяє формуванню ефективних засобів навчально-методичного забезпечення освіти.

У нашому посібнику ми будемо дотримуватися (переважно) найбільш поширеної в міжнародних відносинах номенклатури речовин системи IUPAC, запозичивши методологію викладання авторів посібників [163], [71].

Номенклатура неорганічних речовин
[103], [163, Т. 1, 179]

В основу системи номенклатури речовин IUPAC покладено їхній хімічний склад — найсталішу й водночас найпростішу характеристику речовини (хімічну формулу). Система IUPAC — це дві взаємозумовлені складові: формула — назва. Отже, номенклатура складається з формул та назв речовин.

Формула — це зображення складу речовини за допомогою символів хімічних елементів (написання символів регламентовано періодичною системою елементів) і числових індексів, які визначають вміст кожного елемента в молекулі (структурній одиниці) речовини.

Наприклад, у формулі Н2О числовий індекс при водні — 2.

Назва — зображення складу речовини за допомогою слова чи сполучення слів. Знаючи назву, можна за допомогою системи номенклатурних правил написати формулу сполуки, і навпаки. Первинною в номенклатурі речовини є її хімічна формула, з якої випливає назва.

За номенклатурними правилами складання назви кожна речовина одержує відповідно до її формули систематичну назву, яка повністю відбиває її склад.

Прості речовини (тобто ті, що складаються з одного елемента) називають, як правило, так само, як і елементи (ртуть, цинк, кисень тощо). Якщо проста речовина може перебувати в різних станах (алотропних формах), молекулярний склад яких відомий, то в назві зазначають кількість атомів у молекулі.

Для цього використовують префікси моно (один), ди (два), три, тетра (чотири), пента (п’ять) і т. д. Наприклад, молекуляр­ний кисень (О2) має систематичну назву дикисень, а озон — його алотропна форма (О3) — трикисень.

Складні речовини. Згідно з номенклатурними правилами IUPAC (англ. вар.) читання назв речовин провадиться за ходом формули, наприклад, NaCl — натрію хлорид, але в україномовному варіанті (що наслідує російський) — навпаки: читатимемо хлорид натрію. Такий самий порядок читання передбачає і французький варіант.

За таким правилом у назві речовини на першому місці завжди стоятиме назва електронегативної складової (аніон) у називному відмінку, а на другому — електропозитивна складова (катіон) в родовому відмінку (як це було показано на прикладі NaCl). Коли електронегативна (або умовно електронегативна) складова є одноелементною, то вона матиме суфікс -ид або -ід. Кількість атомів як катіона, так і аніона в назві відображатиметься числовим префіксом (читають і пишуть так само, як і числові для позначення кількості атомів). Наприклад (складні речовини з одноелементним аніоном):

Оксиди: СО2 (діоксид вуглецю), СО (монооксид вуглецю), SiO2 (діоксид силіцію), Al2O3 (триоксид діалюмінію), NO (монооксид азоту);

Галогеніди: NaCl (хлорид натрію), СаСl2 (дихлорид кальцію), RaF4 (тетрафторид радію), MgJ2 (дійодид магнію);

Карбіди: Fe3C (монокарбід тризаліза), Cr2C3 (трикарбід дихрому);

Сульфіди: H2S (сульфід диводню), ZnS (сульфід цинку);

Нітриди: BN (нітрид бору), Cu3N (нітрид триміді).

За наявності в речовині кількох електронегативних чи елек-
тропозитивних складових їх називають за складом формули справа наліво й пишуть через дефіс, наприклад:

AlClO — оксид-хлорид алюмінію;

MgJBr — бромід-йодид магнію;

CaB2S4 — тетрасульфід-дибор кальцію.

Для складніших речовин (кислоти, солі, гідроксиди), коли електронегативна складова (аніон) містить різні елементи, формули читають із додаванням грецьких префіксів до назви елек-
тронегативної складової, яка завжди, незалежно від валентності кислотоутворюючого елемента, має суфікс -ат. Наприклад: Na2SO4 (тетраоксосульфат динатрію), Na2SO3 (триоксосульфат динатрію), KNO3 (триоксонітрат калію), СаСО3 (триоксокарбонат кальцію), CuSO4 (тетраоксосульфат міді).

Співвідношення між складовими сполук можна показати за способом (правилом) Штока. Згідно з ним ступінь окислення елемента в електропозитивній складовій (катіон) позначається римською цифрою в дужках у кінці назви. Цей спосіб доцільний, коли треба відобразити валентність катіона, наприклад за елек-
тролізу речовин тощо.

Приклади назв за способом Штока: FeO — оксид заліза (ІІ), Fe2O3 — оксид заліза (ІІІ), Fe(OH)3 — гідроксид заліза (ІІІ).

Однак до цього способу треба ставитись обережно, бо він не є універсальним. Наприклад, як за цим способом назвати (записати назву) Fe3O4? Яка валентність заліза за цією формулою? Ця речовина складається з двох оксидів FeO і Fe2O3 і читатиметься «тетраоксид тризаліза».

У науковій літературі та переважно у практиці згідно з правилами IUPAC допускається (але не рекомендується) використання деяких тривіальних назв речовин, таких як CO2 — вуглекислий газ, Ca(OH)2 — гашене вапно, Al2O3 — глинозем, FeSO4 · 7H2O — залізний купорос, NaOH — їдкий натр, Na2CO3 — кальцинована сода, NaOH — каустична сода (каустик, їдкий натр), CuSO4 · 5H2O — мід­ний купорос, СаО — негашене вапно, NaCl — кухонна сіль та ін.

Номенклатура органічних речовин
[71, 261—267], [163, Т. 2, 309]

Із відомих на сьогодні близько 10 млн хімічних речовин (неорганічних і органічних) понад 95 % становлять органічні речовини. Сучасну міжнародну систему номенклатури органічних речовин було прийнято 1957 р. у Парижі на конференції Міжнарод­ного Союзу чистої і прикладної хімії. Вона відома під назвою «Правила IUPAC».

На жаль, як і Міжнародна система фізичних величин (SI) у метрології, так і «Правила IUPAC» досить повільно впроваджуються в практику. Причин тут багато, але, мабуть, найперша — це консерватизм і схильність багатьох спеціалістів до обмеження фахового обсягу нових знань, у тому числі і в галузі освіти. Тому поряд із системою IUPAC у сучасній науці та практиці досить часто вживаються тривіальні назви й назви, побудовані за правилами систем, розроблених іще наприкінці минулого сторіччя — раціональної та женевської (систематичної). В основу раціональної системи покладено назви найпростіших (первинних) сполук, з яких виводяться назви складніших похідних.

Так, усі насичені вуглеводні загальної формули  розглядаються як похідні метану СН4, що в ньому атоми водню замінено на радикали. Наприклад, замінивши два атоми водню на радикали метилу (–СН3), отримаємо вуглеводень СН3–СН2–СН3, під назвою (згідно з правилом) диметилметан.

За такою самою схемою насичені спирти розглядаються як похідні найпростішого з них — карбінола СН3–ОН (тривіальні назви — метиловий або мурашиний спирт). Наприклад, замінивши один з атомів водню карбінола на радикал –СН3 отримаємо новий спирт СН3СН2ОН, назва якого — метилкарбінол (тривіаль­на назва — винний спирт). Недоліки такої системи в тому, що вона в багатьох випадках не може однозначно відобразити будову речовини, якій відповідає кілька варіантів структури — ізомерів. Цю проблему повністю вирішено в системі IUPAC, яка все ж базується на правилах женевської системи. Повний опис номен­клатурних правил IUPAC для органічних речовин зайняв би надто багато місця, тому ми розглянемо лише основні принципи правил і окремі приклади.

Класифікаційна номенклатура IUPAC постійно вдосконалюється, що завжди необхідно враховувати. Органічні сполуки класифікують за структурою їх вуглецевого ланцюга. Виділяють чотири основні класи:

Аліфатичні — з ланцюгом міжатомного вуглець-вуглецевого зв’язку нерозгалуженої або розгалуженої (з боковими ланцюжками) структури, з вільними кінцями, не замкнутими в кільце (цикл). Інша назва таких сполук — ациклічні або сполуки жирного ряду.

Аліциклічні — із замкненими в кільце ланцюгами атомів вуглецю.

Ароматичні — специфічні сполуки, які містять у своїй структурі цикли з шести атомів вуглецю, кожний з яких має формально тільки три рівноцінні валентності міжатомних зв’язків. Типовий представник — бензол (С6Н6). Тут ми не обговорюватимемо структурно-хімічні концепції такої будови.

Гетероциклічні — вуглеводневі сполуки, в циклі яких, крім вуглецю, є гетероатоми: кисень, азот, сірка. Типовий представник — фуран, у циклі якого чотири атоми вуглецю й один
кисню.

Крім класу ароматичних сполук, усі інші класи можуть мати в структурі вуглець-вуглецевого ланцюга прості (ординарні) зв’язки –С–С–, або кратні — подвійні –С = С–, чи потрійні –С º С–.

Сполуки з простими вуглець-вуглецевими зв’язками називаються насиченими сполуками або алканами (тривіальна назва — парафіни) загальної формули . Треба звернути увагу на правильну назву таких сполук — вуглеводневі, і не плутати їх з вуглеводами, тобто з іншими сполуками, загальна формула яких

Назва індивідуальних насичених вуглеводневих сполук класу алканів складається з двох частин. Перша — коренева частина слова назви конкретного алкану залежить від кількості атомів вуглецю в сполуці (для одного — мет, двох — ет, трьох — проп, чотирьох — бут, п’яти — пент, шести — гекс і т. д. за грецькою назвою відповідної кількості атомів вуглецю).

Друга частина назви слова — суфікс — «ан» для всіх сполук цього класу, який вказує, що сполука є насиченою, тобто містить тільки прості –С–С– вуглецеві зв’язки. Якщо від таких сполук відняти один водень, то отримаємо їхні радикали, назви яких утворюють від назви вихідної сполуки заміною суфікса -ан на
-ил (чи -іл). Наприклад, метан (СН4) — метил (–СН3), етан (С2Н6) — етил (–С2Н5), пропан (С3Н8) — пропіл (–С3Н7) і т. д.

Назви аліфатичних сполук, які містять у структурі подвійний
–С = С– зв’язок, відрізняються від назв сполук із простими –С–С– зв’язками лише іншим суфіксом -ен. Такі сполуки мають узагальнену назву — алкени. Порівняйте назви алкенів і алканів: етен — етан, пропен — пропан, бутен — бутан і т. д.

Назви аліфатичних сполук, які містять потрійний вуглець-вуглецевий зв’язок, утворюються заміною суфікса відповідного алкану (-ан) на суфікс (-ін), наприклад, етан — етін, пропан — пропін і т. д.

Назви ізомерних сполук (які мають однаковий елементний склад, але різну хімічну структуру) утворюють за правилами, наведеними нижче.

Найпростішим аліфатичним вуглеводнем, який може мати структурні ізомери, є С4Н10:

а) з нерозгалуженим вуглецевим ланцюгом

б) з розгалуженим

Відмінність між ними та, що в першому всі атоми вуглецю поєднано один з одним в одному ланцюжку, а в другому центральний атом вуглецю поєднаний одразу з трьома атомами вуглецю та лише з одним водню.

Перші члени ряду алканів — метан, етан і пропан — існують кожен лише в одній структурній формі. Кількість можливих структурних ізомерів зростає зі збільшенням кількості атомів вуглецю в алканах. Так, С4Н10 може мати лише два структурні ізомери, а С5Н12 має вже три. Слід звернути увагу на те, що кожен ізомер має іншу структуру вуглецевого скелета, що визначає різні їхні фізичні й хімічні властивості.

Згідно з номенклатурними правилами IUPAC, називаючи ізомери, слід розглядати їх як похідні від сполуки з найдовшим нерозгалуженим ланцюгом атомів вуглецю. Такий ланцюг називається основним, або кореневим. Він дістав кореневу назву відповідного алкану, алкену чи алкіну, який має таку саму кіль­кість атомів вуглецю, і відповідний суфікс -ан, -ен, -ін. На-
приклад, якщо основний ланцюг має три атоми вуглецю, він дістає кореневу назву проп-, якщо шість — то гекс- і т. д. Побічні ланцюги мають назви за групами (радикалами), які заміщують атоми водню в основному ланцюгу. Назви радикалів наведено вище.

На місце, де радикал—замінник водню приєднується до основ­ного ланцюга, вказує порядковий номер атома вуглецю в основному ланцюгу. При цьому рахувати починають з того боку основ­ного ланцюга, до якого замінник розміщено ближче. Цей порядковий номер має особливу назву — локант, оскільки локалізує місце приєднання побічного ланцюга до основного. Схему побудови назв ізомерів вуглеводневих сполук наведено в табл. 13.

Похідні органічних сполук утворюються заміщенням у вуглеводнях атома водню на так звані функціональні групи. За утворення спиртів такою функціональною групою є гідроксильна
(–ОН), альдегідів — альдегідна (), кислот — карбоксиль­на (), кетонів — карбонільна (–), амінів — амі-
ногрупа (), амідів — амідогрупа (), нітросполук — нітрогрупа (– NO2), ефірів (простих) — етоксирупа
(– С – О – С –) та ін.

Властивості (фізичні й хімічні) похідних сполук більшою мірою зумовлюються саме функціональною групою, ніж вуглеводнем, від якого вони походять. Назви похідних сполук утворюють від назв відповідного вуглеводню за допомогою спеціальних префіксів і суфіксів (табл. 14).

Таблиця 13

ПОСЛІДОВНІСТЬ ОПЕРАЦІЙ УТВОРЕННЯ НАЗВ ІЗОМЕРІВ ОРГАНІЧНИХ
РЕЧОВИН АЛКАНІВ ЗА МІЖНАРОДНОЮ СИСТЕМОЮ IUPAC

Зазначимо, що коренева частина назви похідних ароматичних сполук (—С6Н5) має системну назву «бензол», але її також називають феніл (як похідну від фенолу).

Наведемо деякі відомості щодо природних сполук живих організмів.

Таблиця 14

ФУНКЦІОНАЛЬНІ ГРУПИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК ТА ЇХНІ НАЗВИ

Жири — складні ефіри, які утворюються за конденсації трьохатомного спирту пропантріолу (гліцерину) і карбонових кислот, таких як октодеканова (стеаринова) і октодеценова (олеїнова).

Цукри — група природних сполук загальної формули . Представниками таких сполук є моносахариди: олігосахариди поєднуються в амілази й амінопектини (крохмаль).

Глюкоза й фруктоза мають загальну формулу С6Н12О6. Перша утворюється в процесі фотосинтезу.

Моносахариди об’єднуються в олігосахариди (від 2 до 10 моносахаридів), утворюючи мальтозу й сахарозу (С12Н22О11), які в кислому середовищі розщеплюються знову до моносахаридів.

За подальшої полімеризації утворюється одна з основних високомолекулярних складових рослин (деревина) — целюлоза (С6Н10О5)n, де n — ступінь полімеризації (до 40 тис.).

Структурна одиниця сахарози, мальтози, крохмалю й целюлози однакова.

Целюлоза може взаємодіяти з кислотами, утворюючи складні ефіри. З азотною — нітроцелюлозу (пластмаса, целулоїд, бездим­ні порохи), а з етановою (оцтовою) — ацетат целюлози (хімічні волокна).

Білки — найважливіша складова живої матерії. Будь-які прояви життя зв’язані з білками. Різні види білка побудовані з різних амінокислот. a-амінокислоти здатні утворювати в розчинах дві форми (таутомерія).

У лужних розчинах вони дисоціюють:

В іонному стані a-амінокислоти можуть утворювати солі типу

а також брати участь у реакціях заміщення:

Ця реакція може тривати далі, формуючи ланцюжки пептидів,

З поліпептидів складаються молекули білка. Розрізняють три види структури білків: первинну, яка характеризує амінокислотний склад a-амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюжку; вторинну — просторову форму ланцюжка; третинну — взаєморозміщення всіх поліпептидних ланцюжків у молекулі білка.

Стехіометрія, її закони та техніко-економічні
й екологічні розрахунки [37, 20—29], [163, Т. 1, 169—202]

Термін «стехіометрія» ввійшов у науку на початку ХІХ
сторіччя й походить від двох грецьких слів: στοιχειοn — «елемент» і μετρεω — «вимірюю». Сучасний зміст терміна «стехіометрія» можна сформулювати так: наука, що вивчає кількісний (елементний) склад речовин, їхній енергетичний стан та зміни, що відбуваються за їхнього перетворення як у природі, так і в промислових процесах. Базуючись на знаннях природничих законів, системи фізичних величин і номенклатури речовин, стехіо­метрія відіграє фундаментальну роль у пізнанні глибинних явищ
природи й отриманні різноманітних матеріалів для сучасного виробництва. Стехіометричні методи уможливлюють дослідження метаболічних процесів (перетворень речовини та енергії), які відбуваються у живих організмах, і відтак прогнозування змін екологічного характеру, котрі можуть статися під впливом антропогенних факторів на навколишнє середовище. У сучасній еконо­міці виробництво більшості продукції пов’язане з хімічним перетворенням вихідної сировини, і без глибокого знання стехіометрії неможлива організація ефективного (з погляду економіки та екології) технологічного процесу. Скільки та якої треба сировини для отримання заданої кількості добрив, полімерів чи пестицидів певного хімічного складу й скільки при цьому утворюється різного складу небажаних токсичних відходів, визначають тільки за допомогою стехіометрії.

Щоб більш переконливо довести непересічне значення стехіо­метрії для розв’язання сучасних проблем екології (і економіки), досить звернути увагу на той факт, що нині щороку синтезується майже півмільйона нових хімічних сполук — щохвилини нова речовина! З них майже 40 000 потенційно токсичних.

«Ну, а що мені до того?» — скаже дехто з тих, хто вивчає екологію чи економіку. Відповідь тут проста. Ні еколог, ні економіст не буде здатним без необхідних знань зі стехіометрії науково обґрунтувати свої міркування щодо нових економічних проектів, зокрема щодо балансу користі й витрат, які будуть наслідком реалізації проектів.

Пригадуючи основні поняття з хімії середньої школи, не так уже й складно самостійно здійснити стехіометричні розрахунки еколого-економічного змісту, знаючи, що стехіометрія базується на чотирьох основних природничих законах. Нагадаємо їх:

Закон збереження матерії (Лавуазьє, 1774) — це фундаментальний закон природи, згідно з яким:

матерія не виникає та не зникає за будь-яких перетворень.

Саме стехіометричне рівняння відображає цей закон у хімічних реакціях. Загалом можна стверджувати, що кількість і вид атомів, а також і маса речовини (реагенту), що вступає в реакцію, повністю зберігається в продуктах реакції. Саме це дає змогу поставити знак рівняння в матеріальному балансі реакції, де:

Маса реагентів = Маса продуктів реакції.

Але, щоб виконати розрахунки, треба знати закони, які визначатимуть склад і кількість продукту залежно від складу реагентів та умов перебігу реакції.

Закон сталості складу, або сталого відношення (Пруст, 1797). Згідно з цим законом:

Кожна хімічна сполука характеризується певним, тільки їй властивим, складом елементів, незалежно від умов і вихідних реагентів, з яких її утворено (природно чи штучно).

Отже, співвідношення маси елементів у її складі завжди є незмінною величиною. На основі цього закону стає можливим точне визначення поняття «речовина».

Проста речовина (хімічний елемент) — це сукупність атомів з однаковим зарядом ядра й однаковою кількістю електронів, але (можливо) з різною атомною масою (різними ізотопами).

Складна речовина — це хімічно стійка сполука сталого складу з будь-яких атомів. Вона характеризується індивідуальними фізико-хімічними властивостями. Фундаментальними поняттями стехіометрії є атомна (молекулярна) маса, кількість речовини, моль, молярний об’єм і деякі інші. Поняття атомна маса (вага) є фізичною величиною, а її одиницю — відносну безрозмірну характеристику — запроваджено в практику стехіометричних розрахунків задовго до того, як реальність існування атомів була доведена. Не спиняючись тут на цікавій історії визначення атомних мас, нагадаємо лише, що в перших варіантах періодичної таблиці, яка налічувала менше половини відомих нині хімічних елементів (60-ті роки ХІХ ст.), атомну масу найлегшого атома водню було взято за одиницю. Атомні маси всіх інших елементів визначалися як відношення мас кожного з них до маси атома водню. Пізніше за одиницю атомної маси було взято 1/16 маси атома кисню, що виявилося зручнішим для визначення інших атомних мас.

1961 р. було прийнято нову єдину шкалу відносних атомних одиниць мас (або просто атомних мас) — а. о. м., виходячи з 1/12 частки маси атома ізотопу вуглецю С. Відповідно до цієї шкали а. о. м. водню становить 1,0079, а кисню — 15,9994. Відносна молекулярна маса (скорочено — молекулярна маса) дорівнює сумі атомних мас атомів, що складають молекулу. У хімічних розрахунках широко користуються поняттям «кількість речовини», одиницею якої є моль. Нагадаємо, що фізична величина кількості речовини відображає характеристику будь-якої речовини за кількістю її складових — структурних одиниць (атомів, молекул, іонів, електронів та ін.). Одиниця кількості речовини — моль — це та кількість структурних одиниць, яка дорівнює кількості атомів у 12 грамах вуглецю С. Зрозуміло, що, використовуючи поняття «моль», потрібно в кожному конкретному випадку точно визначити, які структурні одиниці розглядаються, що зумовлює масу моля конкретної речовини.

Отже, незалежно від видів структурних одиниць у кожному молі їх кількість дорівнює кількості атомів у 12 г вуглецю — 6,02 · 1023 (числу Авогадро), а маса моля конкретної речовини в грамах буде кількісно дорівнювати її відносній атомній чи молекулярній масі (а. о. м.).

У Міжнародній системі SI маса одного моля речовини є одиницею фізичної величини — молярної маси (М). Визначальне рівняння ф. в. молярної маси , де М — молярна маса однорідної речовини; m — маса речовини; n — кількість речовини (молей).

Розмірність молярної маси:

Одиниця молярної маси:

Назва одиниці молярної маси — кілограм на моль.

Кілограм на моль дорівнює масі речовини, що за кількості речовини 1 mol має масу 1 kg.

Розмірність і одиниця молярного об’єму за аналогічними визначеннями: ;

;

Назва — кубічний метр на моль.

Кубічний метр на моль дорівнює молярному об’єму речовини, що за кількості речовини в 1 моль має об’єм 1 m3.

Закон Авогадро та еквівалентів. За законом Авогадро:

в однакових об’ємах будь-яких газів за однакових температури й тиску міститься однакова кількість молекул.

Цей закон мав велике значення в дослідженні молекулярної маси речовини та запровадженні поняття «моль». Саме на підставі закону було розроблено низку методів обчислення кількості атомів у молекулах різних речовин і зроблено висновок, що 1 mol будь-якого газу незалежно від кількості атомів у його молекулі за нормальних умов (101, 325 kPa i 0˚C) займає об’єм 22,4 l. З цього також зрозуміла суть спостережень Гей-Люссака (закон об’ємних відношень), що об’єми реагуючих газів відносяться один до одного й до об’ємів газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

Із закону сталості складу й закону еквівалентів випливає, що елементи складаються в хімічні сполуки в певних кількісних співвідношеннях, тобто масі кожного елемента сполуки відповідає точно визначена маса інших елементів, які входять до складу певної сполуки, — еквівалентна маса. У сучасній хімії еквівалентом елемента (або масою еквівалента) називають таку його кіль­кість (або масу), яка без залишку реагує з 1 молем (або масою
одного моля) водню.

Визначати еквівалент (або еквівалентну масу) речовини можна не тільки з його сполук із воднем, а й зі сполук з іншими елементами, еквівалент яких відомий.

Корисно знати, що за аналогією з поняттям еквівалентної маси на практиці буває зручно застосовувати поняття еквівалентний об’єм речовини, який відповідає її еквіваленту.

Наприклад, 1 mol двохатомного газу водню становить дві еквівалентні маси. Відтак об’ємний еквівалент газу водню становить 22,4 : 2 = 11,2 l/mol, відповідно, еквівалентний об’єм газу молекулярного кисню становитиме 22,4 : 4 = 5,6 l/mol. Виходячи з того, що еквівалентний об’єм речовини (газу) буде пропорційний відношенню масового еквівалента Е до молярної маси М, загальне рівняння для визначення об’ємного еквівалента за 273 К (0º С) і нормального тиску ~ 0,1 МРа (~ 760 мм рт. ст.) можна записати як

.

Розрахунки з використанням поняття об’ємного еквівалента в хімічних реакціях прості та зручні. Але якщо за використання еквівалентних мас результати розрахунків не залежать від параметрів тиску й температури реакційного середовища, то для розрахун­ків з еквівалентними об’ємами їх урахування обов’язкове.

Висновки

Згідно з розглянутими природничими законами у стехіометричних рівняннях кількість атомів, а отже, й маса речовини, що вступають у реакцію, дорівнюють кількості тих самих атомів і масі продуктів реакції. Це дає змогу виконувати розрахунки матеріального балансу хімічних перетворень речовини як у природних, так і в технологічних процесах. Як приклад візьмімо утво­рення аміаку.

1. Записуємо стехіометричне рівняння реакції (збалансоване коефіцієнтами) .

2. Визначаємо відносні молекулярні маси реагентів і продуктів реакції:

— 28, Н2 — 2, NH3 — 17.

3. Невідому масу чи об’єм будь-якого реагента чи продукту реакції, коли відома маса або об’єм одного з них, визначаємо за пропорцією відносних молекулярних мас чи кількості молей (за реакцією) і масою чи об’ємами реагуючих речовин відповідно в kg чи m3 (одне з них невідоме — Х). Наприклад, маси азоту й водню, які прореагують за утворення 1 t аміаку, визначимо з про-
порції:

 звідки ;

 звідки

Перевіримо правильність розрахунку: .

Об’єм газу бажаного компонента реакції, коли відомою є його маса, визначаємо, виходячи із закону Авогадро: об’єм одного моля газу за нормальних умов (ºС і 1 аt) дорівнює добутку відношення його маси до молярної маси (що дорівнює кількості речовини в молях) на об’єм одного моля .

У нашому прикладі об’єми  і  становитимуть відповідно:

;

Якщо наші розрахунки справедливі, то сума об’ємів азоту й водню має бути вдвічі більшою, ніж об’єм аміаку, оскільки за стехіометричною реакцією чотири молі реагуючих речовин ( і ) утворюють тільки два молі продукту .

Але спочатку треба визначити об’єм 1t аміаку:

.

Перевіримо відповідність розрахунків об’ємів стехіометричним:

 (у 2 рази).

Це і підтверджує правильність розрахунку.

Корисно взяти до уваги й використати для розрахунків об’єму реагуючих речовин іще один висновок із закону Авогадро: об’єми реагуючих газів і газу продукту відносяться між собою як їх стехіометричні коефіцієнти. Отже, знаючи будь-який об’єм газу реакції, можна одразу розрахувати інші. Наприклад, об’єм витраченого водню становить 1971 m3, звідси об’єм аміаку становитиме.

Різниця з вищенаведеним розрахунком несуттєва — , тобто цей метод забезпечує точність до другого знака після коми.

Аналогічними схемами розрахунків ми користуватимемось у наступних розділах.

Термохімічні закони стехіометрії

Термохімічні закони (або закони термохімії) є однією з форм виявлення фундаментального закону природи — закону збереження й перетворення енергії.

Відомо, що під час перетворення речовин у природі, лабораторії чи у виробничих процесах обов’язково відбувається виділення або поглинання тепла. Процеси перетворення речовини з виділенням тепла (екзотермічні процеси) відбуваються від свого початку й до кінця довільно, наприклад, процеси окиснення (горіння) органічних сполук, нейтралізація кислот лугами, корозія металів та ін.). Деякі з таких процесів, щоправда, потребують підведення іззовні певної кількості енергії, щоб розпочався довільний екзотермічний процес, наприклад, запалювання деревини чи вугілля, проте кількість виділеної в процесі їх горіння енергії набагато перевищує кількість підведеної енергії. Інші реакції, навпаки, потребують безперервного підведення зовнішньої енергії, щоб реакція не припинялася (ендотермічні процеси). Прикладом такої реакції може бути розкладання триоксокарбонату кальцію (СаСО3) на оксид кальцію та діоксид вуглецю.

З огляду на закон збереження енергії виникає питання про джерело енергії екзотермічних процесів перетворення речовини та про причини поглинання (перетворення) енергії в ендотермічних процесах.

Виділення теплоти за взаємодії різних речовин дає підставу визнати, що ці речовини ще до реакції мали певну енергію в прихованій формі. Така форма енергії, яку приховано в речовині та яка вивільняється під час хімічних, а також деяких фізичних процесів (наприклад, конденсації пари або кристалізації рідини), називається внутрішньою енергією речовини.

Докладніше це явище обговорюватимемо, вивчаючи термодинаміку хімічних реакцій.

Розділ науки, який вивчає теплові ефекти перетворення речовини (у хімічних реакціях), має назву термохімія.

Результати термохімічних вимірювань — теплові ефекти реак­цій — прийнято відносити до одного моля речовини, що утво-
рюється. Кількість теплоти, яка виділяється або поглинається під час утворення одного моля сполуки з простих речовин, називається молярною теплотою утворення певної сполуки. Наприклад, вираз «теплота утворення води дорівнює 285,8 kJ/mol» означає, що в процесі утворення 18 g рідкої води з 2 g водню та 16 g кисню виділяється 285,8 kJ.

Якщо елемент може існувати як кілька простих речовин, то, розраховуючи теплоту утворення, цей елемент беруть у вигляді тієї простої речовини, яка за певних умов найстійкіша. Прийнято вважати, що теплоти утворення найстійкіших за певних умов простих речовин дорівнюють нулю. Теплоти ж утворення менш стійких простих речовин дорівнюють теплотам утворення їх зі стійких. Наприклад, за звичайних умов найстійкішою формою кисню є молекулярний кисень О2, теплота утворення якого дорів­нює нулю. Теплота ж утворення озону О3 дорівнює 142 kJ/mol, оскільки в процесі утворення з молекулярного кисню одного моля озону поглинається 142 kJ.

Теплові ефекти можна включати в рівняння реакцій. Хімічні рівняння, у яких зазначено кількість теплоти, що виділяється або поглинається, називаються термохімічними рівняннями. Так, теплота утворення водяної пари дорівнює 241,8 kJ/mol; відповідне термохімічне рівняння має вигляд:

Зрозуміло, що різниця між теплотою утворення рідкої води (+ 285,8 kJ/mol) і водяної пари (+ 241,8 kJ/mol) є теплотою випаровування води за 25ºС, віднесеною до одного моля.

Теплота утворення оксиду азоту (ІІ) від’ємна й дорівнює — 90,25 kJ/mol. Відповідне термохімічне рівняння має вигляд:

 або .

Розглянемо два основні закони термохімії, які відображають закон збереження енергії і відіграють важливу роль у розрахунках теплових балансів природничих і технологічних процесів.

Перший закон термохімії стверджує, що:

тепловий ефект прямої реакції дорівнює за абсолютним значенням тепловому ефекту зворотної реакції, але є протилежним за знаком.

Другий закон термохімії (закон Гесса) відповідно до викладених раніше визначень можна сформулювати так:

тепловий ефект низки послідовних перетворень речовин не залежить від продуктів проміжних стадій, а лише від енергетичного стану вихідних реагентів і кінцевих продуктів.

За законом Гесса сформульовано правило:

тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумою теплоти утворення продуктів реакції та сумою теплоти утворення вихідних реагентів.

При цьому слід ураховувати коефіцієнти реакції та знак теплового ефекту й пам’ятати, що теплота утворення простих речовин дорівнює нулю.

Наприклад, у реакції відновлення заліза з оксиду (Fe2O3 + + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2) тепловий ефект Q становитиме:

Закон Гесса дає змогу визначити тепловий ефект перетворень кристалічної будови речовини, коли його безпосередньо не можна виміряти, наприклад, за перекристалізації (алотропного перетворення) вуглецю з алмазу в графіт:

.

Для визначення Q треба порівняти теплові ефекти реакцій згоряння алмазу й графіту:

.

Якщо середовище отримує енергію (екзотермічна реакція), то тепловий ефект позначаємо знаком «+», і, навпаки, якщо енергія з навколишнього середовища поглинається, то тепловий ефект позначаємо знаком «–». Але в термодинаміці, яку ми будемо розглядати пізніше, тепловий ефект (ентальпія ) позначається за екзотермічних реакцій знаком «–» (), а за ендотермічних, навпаки, знаком «+» (). Наприклад, ендотермічна реакція водяної пари та коксу може бути виражена двома рівнозначними записами:

;

.

Структурно-логічні схеми Й ВИСНОВКИ
для повторення розділу 1.2.4

І. Класифікація та принципи побудови.

ІІ. Номенклатури речовин (тривіальна та системні).

ІІІ. Побудова назв неорганічних речовин за IUPAC.

IV. Побудова назв органічних речовин.

висновки

1. В екологічних і економічних системах біосфери Землі наука ідентифікувала понад три мільйони індивідуальних хімічних речовин, які динамічно переміщуються, взаємодіють, розпадаються в процесах природного кругообігу й технологіях промислового виробництва. До цього нині щорічно в лабораторіях синтезують тисячі нових хімічних речовин з різними, у тому числі високоток­сичними, властивостями. Для їх раціонального й безпечного використання в економічній діяльності та ефективного екологічного захисту екосистем необхідна точна система найменувань, яка б однозначно вказувала на їхній хімічний склад і властивості.

2. Класифікацію речовин і розроблення системи їхніх назв, тобто номенклатури, постійно здійснює Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії IUPAC (ІЮПАК).

3. Нині найбільш поширені дві близькі за змістом номенклатури — IUPAC і ASE. Останню розроблено Асоціацією наукової освіти. Обидві системи вможливлюють за формулою однозначно назвати речовину, і навпаки — за назвою написати її хімічну фор­мулу як найбільш сталу її характеристику.

4. Стехіометрія — основа кількісного визначення речовини в процесах її утворення й розкладу як у живих організмах, так і у виробничих процесах економічної діяльності. Стехіометричні методи й розрахунки базуються на природних законах збереження матерії та енергії.

5. Без таких знань основ стехіометрії неможливо об’єктивно проаналізувати (чи опрацювати) будь-який бізнес-план економіч­ної діяльності з процесами матеріально-енергетичного перетворення складу речовини.

Контрольні запитання ТА вправи для самоперевірки знаньдо підрозділів 1.2.2 і 1.2.3

1. У чому полягає відмінність між поняттями: розмір фізичної величини та її розмірність?

2. Яка з одиниць фізичної величини радіоактивності має більший розмір — беккерель (Bq) чи кюрі (Сі)? Яке їх співвідношення?

3. Яким фізичним величинам відповідають наведені розмірності? Які з них основні, а які похідні:

.

4. Яким фізичним величинам відповідають назви одиниць і як вони визначаються: паскаль, грей, кінська сила, атмосфера, рад, ват, джоуль, зіверт, калорія, бер, беккерель на кілограм, кюрі на кубічний метр, кель­він, джоуль на моль, градус Цельсія?

5. Виберіть із попереднього контрольного питання одиниці фізичних величин SI та відповідні позасистемні одиниці тієї самої фізичної
величини. Знайдіть розрахунковим способом співвідношення між ними.

6. Назвіть числові префікси й відповідні множники: М, μ, m, k, G, n. Наведіть приклади використання цих префіксів для найменувань кратних і часткових одиниць.

7. Знайдіть неправильну назву одиниць: m/s2 — метр за секунду в квадраті, m/s — метр за секунду, eV — електроновольт,  — кілограм-метр,  — ньютон на квадратний метр.

8. Напишіть умовні позначення одиниць: кіловат на метр-кельвін, електрон-вольт, кілограм за секунду, моль за секунду на кубічний метр.

9. Які одиниці SI відповідатимуть одиницям: унція, миля, британ-
ська одиниця теплоти, барель, фут, фунт, кюрі, бер, атмосфера, калорія, дюйм, тонна регістрова, градус Боме, градус Фаренгейта?

10. Визначальні рівняння яких фізичних величин наведено нижче:

;           ;           ;

11. Назвіть одиниці фізичних величин із запитання № 10.

12. Що означають абревіатури та скорочення: SI, MKC, о. ф. в., ГКМВ, МБМВ, dim, а. о. м., СІ?

13. Що є спільного та в чому відмінність між поняттями: фізична величина й одиниця фізичної величини; dimension і розмір фізичної величини; сила і вага; 1 kg маси і 1 kg ваги; маса речовини й кількість речовини; 1°С і 1 К (відповідаючи на останнє, будьте уважні!)?

14. Визначте найбільший та найменший розмір фізичної величини потужності (поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — 40 MJ / s;

Б — 1 kW·h / s;

В — 100 к.с. (кінських сил);

Г — 10000 kcal / s.

15. Визначте з наведених виразів дві правильні розмірності (dim) фізичної величини енергії:

А —    L-1MT2 / T 4L-3 ;       В —    LMT2 / T4 ;

Б —     L2MT2 / MT; Г —     L2MT -2.

16. Визначте з наведених найбільший і найменший розміри фізичної величини маси (поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — унція комерційна (oz);

Б — центнер метричний;

В — центнер довгий (ch cwt);

Г — унція трійська (oz tr).

17. Який з наведених нижче розмірів фізичної величини питомої теплоти згорання найбільший і найменший? (поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — 10000 kcal / kg; В — 40 kW·h / kg;

Б — 40 MJ / kg;          Г — 40 kW·h / m3.

18. Заповніть пропуски табл. 15 за зразком  1-го і 2-го рядків.

Таблиця 15

Приклади розв’язування задач

Задача 1. Якої висоти треба було б збудувати греблю гідроелектростанції (ГЕС) на Дніпрі, щоб її гідроелектрогенератор мав потужність таку, як сучасний атомний реактор 1000 MW (типу Чорнобильського РБМК 1000) за умови, що витрата води за секунду становитиме половину стоку Дніпра в районі Київської ГЕС — близько 500 m3/s .

Розв’язання. Потужність гідроелектрогенератора W визначається масою води, яка надходить до турбіни за час (t), висотою греблі h(m), прискоренням вільно падаючого тіла (g) і коефіцієнтом конверсії η.

            звідки

Підставивши числові значення з відповідними одиницями наведених фізичних одиниць, отримаємо:

Тут ми натрапляємо на складність перевірки правильності одиниці фізичної величини правої частини рівняння — метр. Найпростіше це зробити, якщо виразити фізичні величини рівняння їхніми розмірностями (потужності, часу, маси та прискорення): .

Задача 2. Танкер, промиваючи трюми, скинув в океан 4t дизпалива. Яку площу S поверхні океану покриє його пляма, якщо врахувати, що звичайна товщина h плівки дизпалива дорівнюватиме двом (умовно) діаметрам молекул його вуглеводню, а густина дизпалива .

Розв’язання. Обрахуємо за визначальним рівнянням , де V — об’єм палива, а h — товщина плівки. Об’єм визначаємо з рівняння

.

Розмір (діаметр) молекули вуглеводню палива беремо за , тоді , а площа плями

.

Діаметр такої нафтової плями визначаємо з формули площі , звідки

Задача 3. Як визначити (розрахувати) процентний вміст компонента А у двохкомпонентному сплаві АВ, користуючись тільки знаннями, засвоєними під час вивчення систем фізичних величин? Наприклад, як розрахувати вміст золота в сплаві зі сріблом (такий сплав називається електроном), коли відомі маса сплаву mсп і його об’єм Vсп?

Розв’язання. Позначимо невідомі нам маси та об’єми золота й срібла mAu і VAu; mAg і VAg, а відомі (з довідника) фізичні величини густини —  і . Виразимо маси компонентів через густину та об’єм: ; , а сплаву  і запишемо рівняння: . Замінимо VAg на  і, підставивши в рівняння, вирішимо його відносно одного невідомого — об’єму золота в сплаві VAu:

Підставивши значення VAu у визначальне рівняння маси  отримаємо значення маси золота в сплаві та його вміст, % (маса срібла становитиме відповідно ), тобто % золота в сплаві = .

А якщо виріб з електрона має складнофасонну ажурну форму, об’єм якої нам невідомий? За легендою, така проблема стояла колись перед геніальним Архімедом, коли йому доручили перевірити, чи не вкрали ювеліри золото, виготовляючи царську корону з електрона. Поміркуйте, як він розв’язав таку задачу.

Задача 4. У квітні 1995 р. засоби інформації повідомили, що в Німеччині було затримано злочинців, які мали при собі близько 1 kg радіоактивного плутонію Рu. Підкреслювалося, що цього було б достатньо, щоб отруїти всі водоймища країни! Якщо так, то скільки атомів плутонію налічувалось би в 1 літрі води, коли б його розчинити навіть у такому великому басейні, як Каспійське море? Візьмімо об’єм такого басейну за 100 000 km3.

Розв’язання. Ми знаємо, що одиниця кількості речовини () — це mol, що налічує  будь-яких структурних одиниць речовини. У нашій задачі це атоми Рu, молярна маса якого 239 g/mol. Кількість n атомів плутонію в 1 літрі води  визначаємо, виходячи з даних: маса Рu = 1000 g; об’єм води (розчинника) , кількість атомів в 1 mol (число Авогадро)

.

Відповідь: 25 млн атомів в одному літрі.

Задача 5. Зробіть (не користуючись довідником) розрахунок густини  за нормальних умов таких речовин: СН4, С2Н2, С4Н10.

Розв’язання. Згідно з законом Авогадро однакові об’єми газу містять однакову кількість молекул. Тобто один моль будь-яких газів (молекул) займає однаковий об’єм 22,4 l або . Отже,

Задача 6. Як без довідника визначити, скільком джоулям дорівнює одна кіловат-година (kW · h)?

Розв’язання. Замінимо в позначенні одиниці енергії «кіловат-година» ват (W) на відношення «джоуль за секунду» (J/s), а годину (h) на секунди.

Отже, 1 кіловат-година дорівнює 3,6 MJ.

Досвід показує, що вміння за допомогою розрахунків визначити співвідношення різних одиниць тієї самої фізичної величини практичніше, ніж формальне запам’ятовування коефіцієнтів.

Задача 7. (Комплексна)

Методичні поради до розв’язання задачі. Уважно перечитайте умову, з’ясуйте логічний взаємозв’язок між фізичними величинами через їхні визначальні рівняння й коефіцієнти співвідношення одиниць різних систем, виберіть узгоджені одиниці. Ліпше, якщо всі вони без винятку відповідатимуть системі SI. Приступаючи до розв’язання задачі (до аналізу наведеного розв’язання) і виходячи з розуміння явищ за законами збереження енергії та матерії, зверніть увагу на неформальний підхід за принципом логічного зв’язку фізичних величин, які послідовно вводяться в алгоритм рівнянь матеріального чи енергетичного балансу відносно невідомого розміру визначеної фізичної величини. Ця задача дає змогу переконатися в зручності й плідності застосування поняття «розмірність фізичних величин» в опрацюванні алгоритму розрахунку й перевірки правильності запису рів­няння.

Умови задачі. Улітку на вулицях великого міста в середньому (умовно) цілодобово перебуває в русі 10 000 автобусів, легкових і вантажних автомобілів із приведеною потужністю двигунів 100 к. с., що реалізується в середньому на 0,5 номінального значення потужності.

Треба розрахувати (орієнтовно):

1) скільки буде витрачено за добу літрів ( l ) пального з питомою теплотою згоряння g = 40 MJ/kg, густиною r = 0,8 kg/1 за коефіцієнта конверсії енергії згорання пального в механічну роботу двигуна h = 0,25.

2) скільки тепла від згоряння палива надійде на вулиці міста;

3) скільки повітря буде «пропущено» через двигуни автомашин і викинуто забрудненим токсичними оксидами вуглецю, азоту і канцерогенними сполуками в навколишнє середовище;

4) об’єм (m3) діоксиду вуглецю у вихлопних газах.

Розв’язання задачі. Опрацьовуючи перше питання, міркуємо так. Згідно із законом збереження енергії тепло (енергія) згоряння пального витрачатиметься на роботу двигуна й передаватиметься в навколишнє середовище.

Візьмімо до уваги, що маса пального, витраченого одним двигуном, дорівнюватиме добутку об’єму (V) на густину пального (). Роботу двигуна за годину визначимо через добуток потужності (Р) на час (t). Підставивши відповідні коефіцієнти, запишемо рівняння балансу енергії за добу: ліворуч — тепло (енергію використаного пального), праворуч — роботу (енергію) двигуна умовного автомобіля. Енергія пального буде пропорційною масі витраченого пального за годину  і питомій теплоті згоряння — .

Робота (енергія) двигуна пропорційна потужності — Р (J/s) і часу t (s), що становитиме тільки частку від енергії, виділеної паль­ним. Отже, у рівнянні коефіцієнт конверсії η буде в знаменнику. При цьому, пам’ятаємо, що потужність двигуна машини за умовою задачі реалізується тільки на половину (0,5 ∙ 100 к.с.). Запишемо рівняння балансу енергії за добу (86 400 s) у формі позначень фізичних величин:

            (1)

Відтак об’єм витраченого пального дорівнюватиме:

            (2)

Підставимо замість позначень фізичних величин у рівняння (2) їхні розміри (числове значення й одиниці), подані в умові задачі з відповідними коефіцієнтами до одиниць SI, і матимемо витрати пального в літрах на один двигун за одну добу.

            (3)

Перевіримо правильність складеного алгоритму (рівняння 3), підставивши розмірності відповідних фізичних величин:

            (4)

Після скорочення відповідних розмірностей дістанемо в правій частині рівняння (4), як і у лівій, розмірність об’єму. Отже, , що свідчить про правильність алгоритму. Після цього визначаємо числове значення об’єму в літрах (рівняння 3). Звернімо увагу, що за скорочення одиниць фізичних величин одиниці часу (s) скоротяться з одиницею часу потужності, вираженої через відношення роботи до часу . Не залишаймо без уваги кратні приставки (k, М).

Результат обчислення рівняння (3) дає відповідь ~ 300 l за добу, що в перерахунку на 10 000 машин становитиме , майже 3 млн літрів (~ 2400 тонн).

Розв’язуючи друге питання задачі щодо надходження теплової енергії в навколишнє середовище, отже, визначення частки втраченої енергії Qвтр. при згорянні палива QП., запишемо рівняння за даними задачі з урахуванням коефіцієнта конверсії η:

,           (5)

або використавши фізичні величини:

.           (6)

Підставимо в наведене рівняння розміри фізичних величин (числові значення й одиниці).

            (7)

Перевіримо правильність алгоритму (за розмірностями), як це було зроблено в розв’язанні першого питання.

.           (8)

За результатом обчислення рівняння (7) маємо втрати тепла в навколишнє середовище . Цієї енергії достатньо, щоб підігріти майже 170 t води до температури 100°С. Спробуйте підтвердити таку ілюстрацію витрат енергії відповідним розрахунком.

Відповідь на третє питання потребує використання стехіометричного рівняння горіння пального відповідно до його складу:

;           (9)

.           (10)

Визначимо маси вуглецю mС і водню  у витраченому паль­ному відповідно до його процентного складу: 85 % С і 15 % Н.

.

За пропорцією молярних мас вуглецю й кисню та їхніх мас (kg) визначимо витрати кисню повітря за стехіометричними рівняннями (9) і (10):

            звідки

Відповідно маса кисню повітря на спалювання водню пального становитиме:

Разом витрата кисню на спалювання всього пального дорівнюватиме:

Виходячи зі складу повітря за масою (кисень 23 %), визначимо масу повітря mпов. (разом з азотом)

Об’єм повітря Vпов. визначимо через його масу mпов. і густину

Відповідно до стехіометричних рівнянь об’єм відпрацьованих газів (вихлопу) буде дещо більшим за об’єм повітря (Vпов.). Обмір­куйте це твердження.

Об’єм діоксиду вуглецю  визначимо, виходячи з рівняння (9) відносно маси окисленого вуглецю пального, що її вже було розраховано ; ;

,

що становитиме за об’ємом  (за ):

Отже, на кожну людину мільйонного міста за добу автотранспорт викидає майже 4000 літрів вихлопних газів зі вмістом токсичних оксидів вуглецю й азоту (CO, NO2 і NO) 4 літрів.

Задачі для самостійного розв’язування

Задача 1. Скільки треба витратити kW×h електроенергії, щоб підігріти 10 kg води від 0°С до кипіння за коефіцієнта конверсії енергії — 0,7?

Задача 2. Розрахувати витрати енергії (в J, kW×h, kcal) за час роботи електромотора потужністю 60 W протягом 8 год.

Задача 3. За 2 години людина робить 14000 кроків, виконуючи з кожним кроком роботу в 40 J. Яку потужність розвиває людина під час ходіння та яка калорійність харчових продуктів необхідна для компенсації витраченої енергії? (Коефіцієнт конверсії енергії харчів в роботу руху — 0,25).

Задача 4. Потужність, яку розвиває річкове судно, становить 1200 kW за h = 0,3. Знайти витрати дизельного палива на 1 km шляху при швидкості 70 km/h. Додаткові, необхідні для розрахунку дані, відшукайте в таблицях розділу.

Задача 5. Після аварії на Чорнобильській АЕС у 1986 р. потужність АЕС зменшилася на 2000 MW. Скільки додатково треба б було щодобово спалювати вугілля (q =25 MJ/kg, h = 0,3 , ціна $ 40/ t ) на ТEC, щоб компенсувати втрату потужності на АЕС?

Задача 6. Питома теплота спалювання бутану (С4Н10) становить 48 MJ/kg, а молярна теплота спалювання метану — 800 kJ/mol. Скільки кубічних метрів метану (СН4) потрібно спалити, щоб отримати теплову енергію, еквівалентну отримуваній під час спалювання 10 t бутану. Що вигідніше використовувати, якщо відомо, що 1000 m3 С4Н10 (за н.у.) коштує $ 120, а СН4 — $ 80.

Задача 7. З метою поліпшення екологічного стану вирішено закрити котельню, яка за сезон спалювала 100 t вугілля q = 27 MJ/kg вартістю n грн. за 1 t з коефіцієнтом конверсії h = 0,4. Нагрівання приміщень планується забезпечити електропанелями. Ціна 1 kW×h 0,2 грн. Знайдіть алгоритм розрахунку економічної ефективності (чи збитків) заміни джерела енергії. Скільки діоксиду сірки викидала котельня (m3) за рік, якщо вміст сірки у вугіллі становив 4 %?

Задача 8. Визначте (орієнтовно) витрати на пальне (бензин) для виконання роботи навантаження автокраном на машини 1000 бетонних блоків (об’єм блоку 1 m3, r = 2000 kg/m3), піднімання блоків на висоту 4 m, вартість пального 2 гривні за літр. Додаткові, необхідні для розрахунку дані, відшукайте в таблицях розділу.

Задача 9. З метою поліпшення екологічного стану вирішено замінити в котельні вугілля на природний газ (метан ). За сезон котельня спалювала 100 t вугілля q = 25 MJ/kg вартістю 40 грн за 1 t з коефіцієнтом конверсії h = 0,25. Опрацюйте алгоритм розрахунку економічної ефективності (чи збитків) заміни енергоносія. Скільки діоксиду сірки викидала котельня (m3) за рік, якщо вміст сірки у вугіллі становив 2 %? Додаткові, необхідні для розрахунку дані, відшукайте самостійно в тексті й таблицях розділу.

Задача 10. У таксомоторному об’єднанні налічується 50 автомобілів із середньою потужністю 80 к.с. Кожна машина експлуатується протягом 10 годин без вихідних. Питома витрата палива для двигуна 200 g / kW×h. Розрахувати масу бензину, що потрібна об’єднанню на рік.

Задача 11. Визначити масу бурого вугілля 18 МJ/kg, яку треба витратити для виробництва 10 t водяної пари, якщо відомо, що на випаровування 1 t води потрібно 5,4 × 105 kcal енергії, а коефіцієнт корисної дії котла 0,33.

Задача 12. Скільки треба витратити kWh електроенергії, щоб підігріти 10 kg води від 0°С до кипіння за коефіцієнта конверсії енергії — 0,7?

Задача 13. За 2 години людина робить 14000 кроків, виконуючи з кожним кроком роботу в 40 J. Яку потужність розвиває людина під час ходіння та яка калорійність харчових продуктів необхідна для компенсації витраченої енергії?

Задача 14. У пресі наводяться дані радіаційного забруднення поверхні землі в різних одиницях: наприклад, 10 Ci/km2, 36 Г(Bq/km2). Яку фізичну величину вимірюють цими одиницями? Яке з наведених значень більше й у скільки разів?

Задача 15. З метою поліпшення екологічного стану вирішено закрити котельню, яка за сезон спалювала 100 t вугілля (q = 27 MJ/kg2) вартістю n грн. за 1 t з коефіцієнтом конверсії h = 0,2. Нагрівання приміщень планується забезпечити електропанелями. Ціна 1kW · h — m грн. Знайдіть алгоритм розрахунку економічної ефективності (чи збитків) заміни джерела енергії. Скільки діоксиду сірки викидала котельня (m3) за рік, якщо вміст сірки у вугіллі становив 4%?

Задача 16. Кожної п’ятниці радіо України інформує про радіаційний стан (потужність експозиційної дози g-випромінювання) в окремих містах. У Києві, як правило, вона становить 0,013 мілірентген на годину. Якому чисельному значенню буде відповідати розмір цієї фізичної величини, якщо її виразити в одиницях SI?

Задача 17. Після аварії на Чорнобильській АЕС у 1986 р. забруднення деяких районів радіонуклідами становило до 50 кюрі на квадратний км (50 Сі/km2). Скільки атомів радіоактивних елементів розпадалося на кожному квадратному метрі за одну секунду? Яка радіоактивність 1m2 в одиницях SI?

Задача 18. Використовуючи дані табл. 5, знайдіть об’єм повітря, використаного для спалювання всієї маси вугілля, що видобувається щороку в Україні та у Франції. Порівняйте кількість утвореного діоксиду вуглецю на душу населення в цих країнах.

Задача 19. Відомо, що тютюн містить радіоактивні елементи. За даними вчених Массачусетського університету (США) людина, яка викурює три пачки сигарет за кожні два дні, отримує дозу опромінювання близько 300 мілібер, що приблизно дорівнює опромінюванню під час флюорографії. Оцініть (приблизно), у скільки разів більшу дозу опромінювання за рік отримує такий курець порівняно з некурцем за умов, що сумарна доза радіації, яка поглинається всім тілом людини протягом року, не перевищує 5 mSυ (мілізівертів).

Задача 20. Визначте розмір ф.в. енергії (роботи, J i kWh) і потужності (kW) та вартість витраченої електроенергії за умов: перекачати 1000 m3 розчину (густина 2 kg/l) на 10 поверх (30 m) за 1 годину, ціна 1 kWh =
= 0,2 г.о.

Задача 21. Визначте розмір ф.в. енергії (роботи, J i kWh) і потужності (kW) та вартість витраченої електроенергії за умов: перекачати 1000 галонів розчину солі (густина 1,2 g/cm3) на 5 поверх (15 m) за 5 годин, ціна 1 kWh = 0,3 г.о.

Задача 22. Визначте розмір ф.в. енергії (роботи, J i kWh) і потужності двигуна (у kW і к.с.) та витрати бензину (q = 40 MJ/kg) за умов: підняти на поверхню моря з глибини 100 футів золоті зливки (густина 20 kg/cm3) об’ємом 1 m3 за 1 годину. Ціна 1 літра бензину 0,2 г.о. Визначте вартість піднятого золота за винятком ціни бензину (1 OZ = $ 300).

Задача 23. На добу ТЕС потребує 1000 тонн умовного палива. Визначте енергію, яку виробляє ТЕС за 100 днів, її ціну (ціна 1 kWh = 0,2 г.о.) та потужність (kW). Скільки тонн вугілля (q = 20 MJ/kg) з к.к.д. = 0,3 потрібно витратити за добу і яка його вартість? Ціна вугілля 30 у.о./ t.

Задача 24. За сезон (100 днів) котельня виробляє теплову енергію еквівалентну 100 тоннам умовного палива. Визначте теплову енергію (kcal), яку виробляє котельня за добу, її ціну (ціна 1 kcal = 2 г.о.) та потужність (kW). Скільки тонн мазуту (q = = 40 MJ/kg) з к.к.д. = 0,25 потрібно витратити за сезон і яка його вартість? Ціна мазуту 40 у.о./ t.

Контрольні запитання та вправи для самоперевірки знань з номенклатури речовин і стехіометрії

1. Поясніть термін «номенклатура» й наведіть приклади його використання в різних контекстах (див. термінологічний словник).

2. Які назви позначають абревіатури IUPAC і ASE та яке відношення вони мають до номенклатури речовин?

3. У чому полягає зв’язок між хімічною формулою речовини та її назвою за міжнародною системою IUPAC?

4. Яка різниця в порядку читання назв хімічних формул складних речовин за англійським і українським (французьким, російським) варіантами?

5. За яким правилом системи IUPAC будуються назви складних неорганічних речовин, що в них негативну складову (аніон) репрезентовано одним елементом? Який використовують суфікс -ід(ид) чи -ат? Наведіть приклади.

6. За яким правилом будуються назви складних неорганічних речовин, негативну складову яких репрезентовано двома чи біль­ше елементами (наприклад, солі різних кислот)? Наведіть приклади.

7. Напишіть систематичні назви наведених нижче речовин за правилом числових префіксів (IUPAC) — О2, Fe3O4, CaCO3, NaCl, Al2O3, TiC, Ca3(PO4)2 і за правилом Штока — MnO, Mn2O7, FeCl2, FeCl3, CuNO3, CuSO4.

8. Міжнародна система номенклатури речовини IUPAC базується на традиційних назвах елементів як найбільш сталих характеристиках речовин; числові префікси формул у назвах речовин походять від латинських слів, для одноелементних негативних складових формули завжди використовується суфікс -ат, а двох і більше елементних -ід(ид). Чи правильне це твердження? Якщо ні, то вкажіть на помилки.

9. Наведіть приклади формування назв неорганічних речовин за структурно-логічною схемою.

10. Заповніть у таблиці 16 пропущені назви й відповідні формули (за зразком рядка 1 таблиці).

Таблиця 16

а) неорганічні речовини

б) органічні речовини

11. За яким принципом побудовано класифікацію органічних речовин? Назвіть чотири основні класи й наведіть приклади назв органічних речовин з усіх чотирьох класів.

12. Чим відрізняються (з погляду інформативності) молекуляр­на (емпірична) формула органічної речовини від структурної.

13. Наведіть приклади ізомерів (табл. 13).

14. Назвіть основні функціональні групи органічних речовин (табл. 10).

15. Користуючись таблицею 14, поясніть схеми побудови назви (за IUPAC) органічних речовин, похідних від вуглеводнів.

16. Поясніть відмінність між стехіометричним рівнянням і записом напрямку перебігу хімічної реакції. Які основні закони природи відображає стехіометричне рівняння?

17. Як змінюється енергія (температура) реакційного середовища за перебігу екзотермічних і ендотермічних реакцій? До якого типу належать реакції окислювання? Наведіть приклад.

18. За яким принципом використовують стехіометричні рівняння для розрахунку викидів вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння, утворення діоксиду вуглецю й сірки під час згоряння вугілля в котельнях і теплових електростанціях?

19. Розрахуйте, скільки тонн діоксиду сірки викидається в повітря за спалювання 100 t вугілля, зі вмістом S — 2 %. Який об’єм утвореного діоксиду SO2? Для розрахунку об’єму слід використати поняття моль, молярна маса й закон Авогадро.

20. Чи будуть однаковими об’єми газу, що утворилися за згоряння (окислення) однакової маси вуглецю й сірки? Якщо різні, то який об’єм буде більший?

21. Якщо в ізольованому (герметичному) об’ємі повітря кімнати 100 m3 спалити 1 kg зрідженого чистого метану, то як зміниться хімічний склад повітря кімнати і його тиск?

22. Поясніть суть закону Авогадро. Як можна його використати для розрахунку густини різних газів?

23. Розрахуйте масу кисню в приміщенні об’ємом 100 m3. Скіль­ки глюкози в організмі людини він може окислити під час дихання?

24. Визначте, у якій речовині (добриві) вміст азоту (%) найбільший і найменший (Поставте відповідні позначки «б» та «м»):

А — нітрат амонію; В — аміак;

Б — триоксонітрат амонію; Г — триоксонітрат калію.

25. Визначте речовини з найбільшим і найменшим вмістом заліза (поставте відповідні позначки «б» та «м»): .

А — триоксид дизаліза;       В — монооксид заліза;

Б — тетраоксид тризаліза;   Г — дихлорид заліза?

26. Яка речовина містить у 100 kg більшу масу вуглецю і яка
меншу?

А — вапняк (крейда);           В — диоксид вуглецю;

Б — природний газ метан;   Г — монооксид вуглецю?