Эквивалент (стр. 1 )

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

им.

Бийский технологический институт

,

Эквивалент

Учебно-методическое пособие по неорганической химии

Барнаул 1998

УДК 541

,

Эквивалент:

Учебно-методическое пособие по неорганической химии

Алт. гос. техн. ун-т им. , БТИ. – Бийск.

Издательство Алт. гос. техн. ун-та, 1998. – 26с.

Приведены современная терминология количества вещества в соответствии с рекомендациями ИЮПАК, методические указания к лабораторной работе, контрольные вопросы и задачи для самостоятельной работы студентов.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих курс “Неорганическая химия”.

Рассмотрено и утверждено на заседании

кафедры неорганической и аналитической химии

Протокол № 000 от 06.07.98

Рецензент:

кандидат химических наук, доцент

Основные физические величины

Физическая величина	Единица измерения	Условное обозначе- ние
Масса	килограмм грамм	m
Количество вещества	моль ммоль мкмоль Кмоль	n (x)
Молярная масса вещества	г/моль кг/моль	M(x)
Относительная молекулярная масса	безразмерная	Mr(x)
Относительная атомная масса	безразмерная	Ar(x)
Эквивалент вещества	безразмерная	Э(x)
Фактор эквивалентности вещества	безразмерная	fЭ(x)
Молярная масса эквивалента вещества	кг/моль г/моль	MЭ (x)
Количество вещества эквивалента	моль ммоль мкмоль Кмоль	nЭ(x)
Эквивалентный объем вещества	л м3	VЭ(x)

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Основные понятия

Моль - количество вещества, содержащее столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода-12.

Символ количества вещества – n. Количество вещества x записывают как n(x).

Реальные частицы – это атомы, молекулы, ионы, электроны, радикалы и т. д.

Условные частицы –- это какая-то часть реальной частицы, например,1/5 молекулы.

Экспериментально установлено, что в 12 граммах углерода-12 содержится 6,022 ×1023 атомов углерода. Эта величина носит название числа Авогадро. Следовательно, 1 моль атомов, молекул, ионов или каких-либо других объектов содержит Авогадрово число этих объектов, например:

1 моль атомов Mg=6,022×1023 атомов магния,

1 моль ионов Mg2+=6,022×1023 ионов магния,

1 моль молекул KMnO4= 6,022×1023 молекул перманганата калия.

Примеры записи количества вещества:

n(Mg2+)=0,5моль, n(KMnO4)=0,1моль, n(1/5 KMnO4)=0,5моль и т. д.

Количество вещества n(x) находят как отношение массы вещества m к его молярной массе M(x):

. (1)

Молярная масса M(x) - масса одного моля вещества. По абсолютному значению она равна для простых веществ относительной атомной массе Ar(x), для сложных веществ - относительной молекулярной массе Mr(x), но выражена в г/моль или кг/моль.

Примеры записи: Mr(HCl)=36,52 и M(HCl)=36,52г/моль;

Ar(Br)=79,91 и M(Br)=79,91г/моль.

Фактор эквивалентности fЭ(x) – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества х эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

Пример: В реакции окисления-восстановления fЭ(KMnO4)=1/5, следовательно, в данной реакции молекула KMnO4 взаимодействует с 5 электронами, а на один электрон приходиться 1/5 часть молекулы.

Эквивалент Э(х) – реальная или условная частица вещества х, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в данной окислительно-восстановительной реакции – одному электрону.

Пример: Дано: fЭ(KMnO4)=1/5, тогда Э(KMnO4)=1/5KMnO4.

Молярная масса эквивалента вещества х – (МЭ(х)) – масса одного моля эквивалента этого вещества. Она равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества х:

МЭ(х)=fЭ(x)×M(x). (2)

Пример: Дано: fЭ(H2C2O4)=1/2, M(H2C2O4)=90г/моль,

тогда МЭ(Н2С2О4)=1/2×90=45г/моль.

Количество вещества эквивалента – nЭ(х) – количество вещества в молях, в котором частицами является эквиваленты. Его находят как отношение массы вещества к молярной массе эквивалента вещества:

. (3)

Пример: Дано: m(Ca(OH)2)=0,74г,

M(Ca(OH)2)=74г/моль,

fЭ(Ca(OH)2)=1/2, отсюда

MЭ(Ca(OH)2)=74×1/2=37г/моль,

.

Эквивалентный объем или объем моля эквивалентов –это объем, который занимает один моль эквивалентов газообразного вещества при нормальных условиях (н. у.).

Пример: Найти эквивалентный объем водорода.

Решение: Эквивалент водорода, согласно уравнению реакции: , равен 1/2Н2, т. е. моль эквивалентов газообразного водорода равен половине его моля молек моль эквивалентов водорода будет занимать при н. у. объем в два раза меньше, чем объем моля молекул Н2, т. е. 22,4 л : 2=11,2 л.

1.2 Эквивалент

Для того, чтобы определить величину эквивалента какого-либо вещества, надо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество. В этой связи целесообразно рассматривать нахождение эквивалента применительно к трем основным типам химических реакций:

а) Кислотно-основные реакции

. (4)

Запишем уравнение (4) в иной форме:

. (5)

Согласно уравнениям (4), (5), на всех участников реакций приходится два иона водорода. Для того, чтобы найти эквивалент, разделим правую и левую части уравнения (5) на два:

(6)

или в молекулярной форме:

. (7)

Тогда один ион водорода будет эквивалентен 1/2 иона Са2+, одному иону ОН–, 1/2 иона , 1/2 молекулы Са(ОН)2, 1/2 молекулы H2SO4 и т. д.

Следовательно, факторы эквивалентности будут равны:

fЭ(Ca2+) =1/2, fЭ(OH–) =1, fЭ(Ca(OH)2) =1/2, и т. д.

А эквиваленты этих веществ будут выражаться формулами:

Э(Са2+)=1/2Са2+, Э(ОН–)=ОН–, Э(Са(ОН)2)=1/2Са(ОН)2, Э(Н2SО4)=1/2Н2SО4 и т. д.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что для кислот и оснований фактор эквивалентности можно рассчитать по числу ионов водорода Н+ или гидроксильных групп ОН–, которыми обмениваются каждая из молекул со своими партнерами, т. е.

, (8)

, (9)

отсюда эквиваленты кислот и оснований равны:

, . (10)

б) Ионно-обменные реакции

Al2(SO4)3+3BaCl2=2AlCl3+3BaSO4 . (11)

В реакции (11) эквивалент можно найти косвенным путем, введя вспомогательные реакции:

Al2(SO4)3+6HCl=2AlCl3+3H2SO4, (12)

BaCl2+H2SO4 =BaSO4+2HCl . (13)

Перемножим все члены уравнения (13) на 3. Тогда при суммировании правых и левых частей уравнений 14 и 15 получим уравнение 5. (Следовательно преобразования сделаны верно!)

Al2(SO4)3+6HCl=2AlCl3+3H2SO4 (14)

3BaCl2+3H2SO4 =3BaSO4+6HCl (15)

Al2(SO4)3+3BaCl2=2AlCl3+3BaSO4

Из уравнений реакций (14), (15) следует, что одному иону водорода эквивалентна 1/6 молекулы Al2(SO4)3 и 1/2 молекулы BaCl2. Факторы эквивалентности для этих веществ равны:

fЭ(Al2(SO4))=1/6, fЭ(3BaCl2)=1/2,

А эквиваленты выражены формулами:

Э(Al2(SO4))=1/6Al2(SO4), Э(BaCl2)=1/2BaCl2.

Если уравнения (14) и (15) написать в ионной форме, то для солей фактор эквивалентности может быть найден по числу замещаемых, присоединяемых и т. д. катионов (Kat) или анионов (An), умноженных на их заряд, т. е.

, (16)

, (17)

где n – число замещаемых, присоединяемых и т. д. катионов или анионов,

Z–заряд соответствующего иона.

в) Окислительно-восстановительные реакции

Рассмотрим реакцию, протекающую по уравнению:

SnCl2+Fe2(SO4)3+2HCl= SnCl4+2FeSO4+H2SO4

В данной реакции изменяют степени окисления олово и железо. Запишем для каждого для них соответствующую полуреакцию:

(18)

(19)

Согласно полуреакциям (18), (19), один ион олова реагирует с двумя электронами, а ион железа – с одним электроном. Следовательно, Э(Sn2+)=1/2Sn2+, Э(Fe3+)= Fe3+.

Соответственно Э(SnCl2)=1/2 SnCl2, Э(Fe2(SO4)3)= Fe2(SO4)3.

Примечание: Если известна молярная масса М(х) и молярная масса эквивалента МЭ(х) данного вещества, то фактор эквивалентности можно рассчитать по формуле:

. (20)

А эквивалент будет равен:

. (21)

Для элемента величина, обратная его фактору эквивалентности, есть не что иное, как его валентность В:

. (22)

Равенства эти столь очевидны, что предлагаем студентам самим провести логическое обоснование их справедливости.

1.3 Закон эквивалентов

Закон этот формулируется следующим образом:

Все вещества реагируют друг с другом в эквивалентных соотношениях.

Смысл этого закона заключается в том, что моль эквивалентов одного вещества реагируют точно с молем эквивалентов другого вещества, а n молей эквивалентов одного вещества с n молями эквивалентов другого вещества (nэ(А) = nэ(В)).

Математически закон эквивалентов можно записать следующим образом:

, (23)

где m(А) – масса вещества А,

m(В) – масса вещества В,

MЭ(A)–молярная масса эквивалента вещества А,

MЭ(В) – молярная масса эквивалента вещества В.

В тех случаях, когда в реакции участвуют газы, целесообразно выражать закон эквивалентов не через единицы массы, а через объемы, так как объем газа при постоянных температуре и давлении прямо пропорционален его массе:

(24)

где –объем газа А при н. у.;

–объем газа В при н. у.;

–эквивалентный объем газа А при н. у.;

–эквивалентный объем газа В при н. у.

В практике встречаются случаи, когда одно из реагирующих веществ находится в твердом состоянии, а второе в газообразном. В этом случае закон эквивалентов можно выразить формулой:

. (25)

2 экспериментальная часть

Существует достаточно много методов определения эквивалента вещества: метод вытеснения водорода из кислоты, метод прямого определения, аналитический метод, электрохимический метод, титрование. Выбор той или иной методики определяется свойствами вещества и возможностями исследователя.

В данной лабораторной работе студентам предлагается определить эквивалент вещества по методу вытеснения водорода, основанному на измерении объема водорода, который выделяется из кислоты при действии на нее металла. Ограниченность данного метода в том, что он пригоден для узкого круга веществ, а именно только для металлов, стоящих в ряду напряжений до водорода. Однако, несомненным его достоинством является простота, быстрота проведения эксперимента и хорошая воспроизводимость результатов.

Для желающих ознакомиться с другими методами в приложении дана краткая информация.

2.1 Методика эксперимента

Для проведения опыта соберите прибор, изображенный на рисунке 1, тщательно соединяя части прибора в местах стыковки, чтобы обеспечить его герметичность.

Количество металла рассчитайте, исходя из условия получения не более 200 мл водорода при н. у.

Пример расчета:

Fe+2HCl=FeCl2+H2,

56 г — 22,4 л

х — 0,2

.

1 - мерный цилиндр на 250 мл, 2- лабораторный штатив,

3 - кристаллизатор, 4 - колба емкостью 20...25мл,

5 - газоотводная трубка.

Рисунок 1- Прибор для определения эквивалента металла

Взвесьте рассчитанное количество металла с точностью до 0,01 г. В колбу 4 налейте разбавленной (1:2) соляной кислоты столько, чтобы она при горизонтальном положении колбы не вылилась в горло колбы. Внутреннюю поверхность горла колбы вытрите полоской фильтровальной бумаги, закрепите колбу на штативе, придав ей горизонтальное положение. Соблюдая осторожность, поместите взвешенный металл (навеску) в горле колбы так, чтобы он не упал в кислоту до начала опыта. Цилиндр заполните до верху водой, переверните и быстро опустите в кристаллизатор, заполненный водой наполовину. (Как перевернуть цилиндр с водой, не пролив из него воду?). Закрепите цилиндр в штативе и подведите под него газоотводную трубку от колбы.

До начала опыта необходимо произвести замер объема водяного столба в цилиндре. Записать показания термометра и барометра.

Давление насыщенных паров воды взять из таблицы 1

Затем осторожным постукиванием колбы переместите металл в кислоту. По окончании реакции дайте колбе охладиться 5...6 мин. и проведите замеры объема всего водяного столба в цилиндре и от поверхности воды в кристаллизаторе.

Экспериментальные данные запишите в таблицу 1.

Таблица 1 - Экспериментальные данные по определению эквивалента металла

Измеряемые величины	Единицы измерения	Условные обозначе-ния	Данные экспери-мента
Навеска металла	г	m
Температура опыта	0С	t
Давление насыщенных паров	Па
Атмосферное давление	Па	Pат.
Объём столба воды в цилиндре до опыта	мл	Vн1
Объём столба воды в цилиндре после опыта	мл	Vн2
Высота водяного столба от поверхности воды в кристаллизаторе	мм вод. ст.	h

2.2 Расчет эквивалента металла

Рассчитать объем выделившегося водорода при н. у. .С этой целью можно воспользоваться уравнением объединенного газового закона:

, (26)

где ,,– давление, объем и температура выделившегося водорода в условиях опыта;

,,– давление, объем и температура водорода при н. у.

Объем определяют как разность V1 – V2. Давление водорода в условиях опыта можно рассчитать, исходя из следующих рассуждений: давление в цилиндре равно атмосферному и складывается из давления водорода , давления насыщенных паров воды и давления столба воды в цилиндре от поверхности воды в кристаллизаторе h. Отсюда

(27)

где 9,8 – коэффициент пересчета для перевода мм вод. ст. в паскали (Па).

По закону эквивалентов (25) найдем молярную массу эквивалента металла:

,

где –эквивалентный объем водорода при н. у., мл;

m(Me)–масса металла, г; –объем выделившегося водорода при н. у.;

–молярная масса эквивалента металла.

Зная молярную массу эквивалента металла и молярную массу атома металла, найдите фактор эквивалентности и эквивалент металла (см. раздел 1.2).

2.3 Правила работы в лаборатории

1.   Опыты всегда проводить в чистой посуде.

2.   Не следует путать пробки от разных склянок. Чтобы внутренняя сторона пробки оставалась чистой, пробку кладут на стол внешней поверхностью.

3.   Нельзя уносить реактивы общего пользования на свое рабочее место.

4.   После опытов остатки металлов в раковину не выбрасывать, а собрать в отдельную посуду.

5.   Битую посуду, обрывки бумаги, спички выбрасывают в урну.

2.4 Правила техники безопасности

1.   Не включайте без разрешения преподавателя рубильники и электрические приборы.

2.   Не загромождайте свое рабочее место лишними предметами.

3.   Нельзя пробовать вещества на вкус.

4.   При приливании реактивов нельзя наклоняться над отверстием сосуда во избежание попадания брызг на лицо и одежду.

5.   Нельзя наклоняться над нагретой жидкостью, так как ее может выбросить.

6.   В случае пожара немедленно выключите все электронагревательные приборы. Горящие жидкости прикройте асбестом, засыпьте песком, но не заливайте водой. Загоревшийся фосфор гасите мокрым песком или водой. При воспламенении щелочных металлов гасите пламя только сухим песком, но не водой.

2.5 Первая помощь при несчастных случаях

1.   При ранении стеклом удалите осколки из раны, смажьте края раны раствором йода и перевяжите бинтом.

2.   При химическом ожоге рук или лица смойте реактив большим количеством воды, затем либо разбавленной уксусной кислотой в случае ожога щелочью, либо раствором соды в случаи ожога кислотой, а затем опять водой.

3.   При ожоге горячей жидкостью или горячим предметом обоженное место обработайте свежеприготовленным раствором перманганата калия, смажьте обожженное место мазью от ожога или вазелином. Можно присыпать ожог содой и забинтовать.

4.   При химических ожогах глаз обильно промойте глаза водой, используя глазную ванночку, а затем обратитесь к врачу.

3 задачи для домашних заданий

Найдите эквиваленты и их молярные массы для исходных веществ в реакциях:

1.   Al2O2+3H2SO4=Al(SO4)3+3H2O;

2.   Al(OH)3+3H2SO4=Al(HSO4)3+3H2O;