Стехиометрические законы химии (стр. 4 )

ν(1/z Х) = V(Х) / V(1/z Х)

или V(1/z Х) = V(Х) / ν(1/z Х)

Молярный объем (Vm) и эквивалентный объем (V(1/z Х)) связаны соотношением

V(1/z Х) = Vm / z

Эквивалентное число в окислительно-восстановительных реакциях определяется числом переносимых от одной формульной единицы восстановителя к одной формульной единице окислителя электронов:

Au3+ +3e = Au0 ,

эквивалентное число для иона Au3+ равно числу присоединенных электронов:

Э(Au3+) = 1/3Au3+

M(Э(Au3+)) = 1/3 M(Au3+)

В реакции:

3Cu + 2HNО3(30%) + 6HNО3(30%) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

NО3- + 4H+ + 3ē = NO + 2H2O

Э(NО3-) = 1/3 NО3-

M(Э(NО3-)) = 1/3 M(NО3-)

M(Э(HNО3)) = 1/3 M(HNО3)

Cu - 2ē = Cu2+

M(Э(Cu )) = 1/2 M(Cu)

Для реакции

Ag + HNО3(30%) + HNО3(30%) = AgNО3 + NO2↑ + H2O

M(Э(Ag)) = M(Ag) – перенос одного электрона

NО3- + 2H+ + 1ē = NO2 + H2O

Откуда имеем:

M(Э(NО3-)) = M(NО3-) - перенос одного электрона

M(Э(HNО3)) = M(HNО3) - перенос одного электрона

В реакции восстановления водорода:

2Н+ +2е = Н2

Э(Н+) = Н+, z =1 (число присоединенных одной формульной единицей электронов), fэкв = 1/1 =1 (доля частицы, которая эквивалентна одному электрону). Э(Н2) = 1/2Н2, z =2 (число присоединенных одной формульной единицей электронов), fэкв = 1/2 (доля частицы, которая эквивалентна одному электрону). Поэтому 1 моль эквивалентов водорода при н. у. занимает объем:

Vm (Э(Н2)) = 22,4 : 2 = 11,2 (л/моль)

Для реакции:

О2 + 4е = 2О2-

Э(О2) = 1/4О2, z = 4 (число присоединенных одной формульной единицей электронов), fэкв = 1/4 (доля частицы, которая эквивалентна одному электрону). Поэтому 1 моль эквивалентов кислорода при н. у. занимает объем:

Vm (Э(О2)) = 22,4 : 4 = 5,6 (л/моль)

И так, для любого газообразного вещества Х при н. у. можно записать:

Vm (Э(Х)) = Vm (1/z) = Vm (Х)/z

1) SO2 + NO2 = SO3 + NO

SO20 + О-2 -2е = SO30 1

NO20 +2е = NO0 + О-2 1

Э(SO2) = ½ SO2 (z =2, fэкв = ½), М(1/2 SO2) = 64 г/моль : 2 = 32 г/моль,

Э(NO2) = ½ NO2 (z =2, fэкв = ½), М(1/2 NO2) = 46 г/моль : 2 = 23 г/моль,

2) SO2 + 2H2S = 2S + 2H2O

SO20 +4е = S0 + 2О-2 1

H2S0 -2е = S0 + 2H+ 2

Э(SO2) = 1/4SO2 (z =4, fэкв = 1/4), М(1/4 SO2) = 64 г/моль : 4 = 16 г/моль,

Э(H2S) = 1/2H2S (z =2, fэкв = 1/2), М(1/2 H2S ) = 34 г/моль : 2 = 17 г/моль,

3) 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

Na0 -1е = Na+1

H2O0 +1е = 1/2H20 + ОН -

Э(Na) = Na (z =, fэкв = 1), М(Э(Na)) = 23 г/моль : 1 = 23 г/моль,

Э(H2O) = H2O (z = 1, fэкв = 1), М(Э(H2O)) = 18 г/моль : 1 = 18 г/моль,

Эквивалентное число атомной частицы равно степени окисления (но не валентности) его в данном соединении, например, в СаО: z= 2 (степень окисления Са = +2), fэкв = ½.

Эквивалентное число оксида в реакции обмена равно произведению числа молей атомных частиц на его степень окисления (но не валентности) в оксиде.

Например, для реакций обмена:

1) СаО + 2НСl = CaCl2 + H2O или для 1 моль НСl запишем

1/2 СаО + НСl = 1/2CaCl2 + 1/2H2O

z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2 z=2, fэкв =1/2

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(1/2 СаО) = 56 г/моль : 2 = 28 г/моль, М(НСl) = 36,5 г/моль : 1 = 36,5 г/моль, М(1/2 CaCl2) = 111 г/моль : 2 = 55,5 г/моль, М(1/2 H2O) =

18 г/моль : 2 = 9 г/моль, М(1/2 Са+2) = 40 г/моль : 2 = 20 г/моль.

2) Fe2O3 + 6НСl = 2FeCl3 + 3H2O,

1/6Fe2O3 + НСl = 1/3FeCl3 + 1/2H2O,

z=6, fэкв =1/6 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=2, fэкв =1/2

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(1/6 Fe2O3) = 160 г/моль : 6 = 26,67 г/моль, М(НСl) =36,5 г/моль : 1 =

36,5 г/моль, М(1/3 FeCl3) = 162,5 г/моль : 3 = 54,17 г/моль, М(1/2 H2O) =

18 г/моль : 2 = 9 г/моль, М(1/6 Fe +3) = 56 г/моль : 6 = 9,33 г/моль.

3) SO2 + NaOH = NaHSO3

z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1, М(SO2) = 64 г/моль

4) 1/2SO2 + NaOH = 1/2Na2SO3 + 1/2H2O,

z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2, М(SO2) = 64 г/моль : 2 = 32 г/моль

5) Na2О + H2O = 2NaOH или 1/2Na2О + 1/2H2O = NaOH

z=2, fэкв =1/2 z =2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1

Э(Na2О)= 1/2Na2О, М(1/2Na2О) = 62 г/моль : 2 = 31 г/моль

6) ВаО + 2НСl = ВаСl2 + H2O или

1/2ВаО + НСl = 1/2ВаСl2 + 1/2H2O

z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1

М(1/2ВаО) = 153 г/ моль : 2 = 76,5 г/моль,

М(1/2Ва2+) = 137 г/ моль : 2 = 68,5 г/моль,

М(1/2О-2) = 16 г/ моль : 2 = 8 г/моль,

М(1/2Ва2+) + М(1/2О-2) = М(1/2ВаО), 68,5 г/моль + 8 г/моль =76,5 г/моль.

В конце XVIII в. немецкий ученый Рихтер открыл один из основных законов стехиометрии закон эквивалентов:

Массы веществ, которые вступают в реакцию и образуются в результате реакции, пропорциональны их эквивалентам (моль эквивалентов одного вещества реагирует с молем эквивалентов другого):

т1 / m2 = Э1 / Э2,

где т1 и m2 - массы веществ; Э1 и Э2 - эквиваленты этих веществ.

В химических реакциях эквивалент одного вещества взаимодействует с эквивалентом другого, при этом образуется по одному эквиваленту каждого продукта, например:

Fe2(SO4)3 + 6NaOH = 2Fe(OH)3 + 3Na2SO4

или на 1 моль NaOH: 1/6Fe2(SO4)3 + NaOH = 1/3Fe(OH)3 + 1/2Na2SO4

z=6, fэкв =1/6 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=2, fэкв =1/2

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

Отсюда следует: ν (1/6Fe2(SO4)3 ) = ν (NaOH) = ν (1/3Fe(OН)3)= ν (1/2Na2SO4) или можно записать: m (Fe2(SO4)3)/М(Fe2(SO4)3)= m(NaOH)/ М (NaOH)= m(Fe(OН)3)/ М(1/3Fe(OН)3) = m (Na2SO4) / М(1/2Na2SO4).

В общем виде получим математическое выражение закона эквивалентов:

т1 / М(1/z Х1)= m2 / М(1/z Х2)

Для газообразных веществ можно записать:

V1 / V(1/z Х1)= V2 / V(1/z Х2)

Схемы и уравнения химических реакций

При химических реакциях одни вещества превращаются в другие. Для записи и передачи информации о химических реакциях используются схемы и уравнения реакций.

Схема химической реакции – условная запись, дающая качественную информацию о химической реакции. Она показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие вещества образуются в результате реакции. И в схемах, и в уравнениях реакций вещества обозначаются их формулами. Например, схема горения серы записывается так: 

  S8 + O2 → SO2

Все вещества здесь молекулярные, поэтому при записи схемы использованы молекулярные формулы этих веществ.

В схеме реакции

CaCO3 → CaO + CO2

CaCO3 и CaO – вещества немолекулярные, поэтому использованы их простейшие формулы, отражающие состав их формульных единиц. Для молекулярного вещества – углекислого газа – использована молекулярная формула.

Из схемы реакции

PCl5 + H2O → H3PO4 + HCl

видно, что образуется фосфорная кислота и хлороводород. Иногда для передачи информации о химической реакции бывает достаточно и краткой схемы этой реакции, например:

S8 → SO2; P4 → P4O10; CaCO3 → CaO.

Уравнение химической реакции – условная запись, дающая качественную и количественную информацию о химической реакции, для которой справедлив один из важнейших законов химии:
При протекании химических реакций атомы не появляются, не исчезают и не превращаются друг в друга.

При записи уравнений химических реакций, кроме формул веществ, используются коэффициенты. Коэффициент "1" в уравнении химической реакции не ставится, но подразумевается. Рассмотренные нами реакции описываются следующими уравнениями:

1S8 + 8O2 = 8SO2, или S8 + 8O2 = 8SO2;
1P4 + 5O2 = 1P4O10, или P4 + 5O2 = P4O10;
1CaCO3 = 1CaO + 1CO2, или CaCO3 = CaO + CO2;
1PCl5 + 4H2O = 1H3PO4 + 5HCl, или PCI5 + 4H2O = H3PO4 + 5HCI.

Знак равенства между правой и левой частью уравнения означает, что число атомов каждого элемента, входящих в состав исходных веществ, равно числу атомов этого элемента, входящих в продукты реакции. Коэффициенты показывают отношение между числом реагирующих и числом образующихся молекул (для немолекулярных веществ – числом формульных единиц) соответствующих веществ.

Реакция горения метана в кислороде (или на воздухе):
СН4 + O2 ®CO2 + H2O (схема), (1)
СН4 + 2O2 = CO2 + 2Н2О (уравнение) (2)

Схема (1) показывает, что в реакции образуются углекислый газ и вода. Уравнение реакции (2) добавляет, что число молекул метана, вступившего в реакцию, относится к числу молекул вступившего в реакцию кислорода, как 1 к 2, один моль метана реагирует с двумя моль кислорода, при этом образуется один моль углекислого газа и два моль воды.

Аналогично схема химической реакции

Fe2O3 + H2→ Fe + H2O (t), показывает, что при взаимодействии оксида железа (Ш) с водородом (которое происходит при нагревании) образуются вещества железо и вода.

Уравнение реакции

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2О

добавляет к этому, что число формульных единиц оксида железа, вступившего в реакцию, относится к числу вступивших в реакцию молекул водорода, как 1 к 3. Кроме того, уравнение показывает, что одна формульная единица оксида железа реагирует с тремя моль водорода, при этом образуется два моль атома железа и три моль воды.

Валентность

Понятие "валентность" используется для количественной характеристики способности атома соединяться с определенным числом других атомов.

Валентность (W) количественно определяется числом химических связей (ионной и ковалентной), образуемых атомом. Число химических связей определяется числом валентных орбиталей. Валентными являются не только орбитали с неспаренными электронами, но и орбитали свободные и со спаренными электронами (связи, образуемые по донорно-акцепторному и дативному механизмам).