Эквивалент. Закон эквивалентов
Материалы портала onx.distant.ru
Эквивалент. Закон эквивалентов
Эквивалент – реальная или условная частица вещества Х, которая в данной кислотно-основной реакции или реакции обмена эквивалентна одному иону водорода Н + (одному иону ОН — или единичному заряду), а в данной окислительно- восстановительной реакции эквивалентна одному электрону.
Фактор эквивалентности fэкв(X) – число, показывающее, какая доля реальной или условной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода или одному электрону в данной реакции, т.е. доля, которую составляет эквивалент от молекулы, иона, атома или формульной единицы вещества.
Наряду с понятием “количество вещества”, соответствующее числу его моль, используется также понятие количество эквивалентов вещества.
Закон эквивалентов: вещества реагируют в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Если взято n(экв1) моль эквивалентов одного вещества, то столько же моль эквивалентов другого вещества n(экв2) потребуется в данной реакции, т.е.
При проведении расчетов необходимо использовать следующие соотношения:
1. Молярная масса эквивалента вещества X равна его молярной массе, умноженной на фактор эквивалентности:
2. Количество эквивалентов вещества X определяется делением его массы на молярную массу эквивалента:
3. Объём моль-эквивалента газа Х при н.у. равен молярному объёму газа, умноженному на фактор эквивалентности:
4. Молярная масса эквивалента сложного вещества равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих это вещество атомов (ионов).
5. Молярная масса эквивалента оксида равна молярной массе эквивалента элемента плюс молярная масса эквивалента кислорода.
6. Молярная масса эквивалента гидроксида металла равна молярной массе эквивалента металла плюс молярная масса эквивалента гидроксила, например:
М[½Са(ОН)2] = 20 + 17 = 37 г/моль.
7. Молярная масса эквивалента сульфата металла равна молярной массе эквивалента металла плюс молярная масса эквивалента SO4 2- , например,
М(½ СаSO4) = 20 + 48 = 68 г/моль.
Эквивалент в кислотно-основных реакциях
На примере взаимодействия ортофосфорной кислоты со щелочью с образованием дигидро-, гидро- и среднего фосфата рассмотрим эквивалент вещества H3PO4.
Эквивалент NaOH соответствует формульной единице этого вещества, так как фактор эквивалентности NaOH равен единице. В первом уравнении реакции молярное соотношение реагентов равно 1:1, следовательно, фактор эквивалентности H3PO4 в этой реакции равен 1, а эквивалентом является формульная единица вещества H3PO4.
Во втором уравнении реакции молярное отношение реагентов H3PO4 и NaOH составляет 1:2, т.е. фактор эквивалентности H3PO4 равен 1/2 и её эквивалентом является 1/2 часть формульной единицы вещества H3PO4 .
В третьем уравнении реакции количество веществ реагентов относятся друг к другу как 1:3. Следовательно, фактор эквивалентности H3PO4 равен 1/3, а её эквивалентом является 1/3 часть формульной единицы вещества H3PO4.
Таким образом, эквивалент вещества зависит от вида химического превращения, в котором принимает участие рассматриваемое вещество.
Следует обратить внимание на эффективность применения закона эквивалентов: стехиометрические расчёты упрощаются при использовании закона эквивалентов, в частности, при проведении этих расчётов отпадает необходимость записывать полное уравнение химической реакции и учитывать стехиометрические коэффициенты. Например, на взаимодействие без остатка 0,25 моль-экв ортофосфата натрия потребуется равное количество эквивалентов вещества хлорида кальция, т.е. n(1/2CaCl2) = 0,25 моль.
Эквивалент в окислительно-восстановительных реакциях
Фактор эквивалентности соединений в окислительно-восстановительных реакциях равен:
где n – число отданных или присоединенных электронов.
Для определения фактора эквивалентности рассмотрим три уравнения реакций с участием перманганата калия:
В результате получаем следующую схему превращения KMnO4.
в кислой среде: Mn +7 + 5e = Mn +2
в нейтральной среде: Mn +7 + 3e = Mn +4
в щелочной среде: Mn +7 + 1e = Mn +6
Схема превращений KMnO4 в различных средах
Таким образом, в первой реакции fэкв(KMnO4) = 1/5, во второй – fэкв(KMnO4) = 1/3, в третьей – fэкв(KMnO4) = 1.
Следует подчеркнуть, что фактор эквивалентности дихромата калия, реагирующего в качестве окислителя в кислой среде, равен 1/6:
Примеры решения задач
Задача 1. Определить фактор эквивалентности сульфата алюминия, который взаимодействует со щелочью.
Решение. В данном случае возможно несколько вариантов ответа:
Задача 2. Определить факторы эквивалентности Fe3О4 и KCr(SO4)2 в реакциях взаимодействия оксида железа с избытком хлороводородной кислоты и взаимодействия двойной соли KCr(SO4)2 со стехиометрическим количеством щёлочи КОН с образованием гидроксида хрома (III).
Задача 3. Определить факторы эквивалентности и молярные массы эквивалентов оксидов CrО, Cr2О3 и CrО3 в кислотно-основных реакциях.
CrО3 – кислотный оксид. Он взаимодействует со щёлочью:
Молярные массы эквивалентов рассматриваемых оксидов равны:
Мэкв(CrО) = 68(1/2) = 34 г/моль,
Задача 4. Определить объём 1 моль-экв О2, NH3 и H2S при н.у. в реакциях:
Vэкв(NH3) = 22,4× 1/3 = 7,47 л – в первой реакции.
Vэкв(NH3) = 22,4× 1/5 = 4,48 л – во второй реакции.
В третьей реакции для сероводорода Vэкв(H2S)=22,4 1/6 = 3,73 л.
Задача 5. 0,45 г металла вытесняют из кислоты 0,56 л (н.у.) водорода. Определить молярную массу эквивалента металла, его оксида, гидроксида и сульфата.
Задача 6. Рассчитать массу перманганата калия, необходимую для окисления 7,9 г сульфита калия в кислой и нейтральной средах.
fэкв(K2SО3) = 1/2 (в кислой и нейтральной среде).
В кислой среде Мэкв(KMnO4) = 158·1/5 = 31,6 г/моль, m(KMnO4) = 0,1·31,6 = 3,16 г.
В нейтральной среде Мэкв (KMnO4) = 158·1/3 = 52,7 г/моль, m(KMnO4) = 0,1·52,7 =5,27 г.
Задача 7. Рассчитать молярную массу эквивалента металла, если оксид этого металла содержит 47 мас.% кислорода.
Выбираем для расчётов образец оксида металла массой 100 г. Тогда масса кислорода в оксиде составляет 47 г, а масса металла – 53 г.
В оксиде: nэкв (металла) = nэкв(кислорода). Следовательно:
53:Мэкв(Ме) = 47:(32·1/4). В результате получаем Мэкв(Ме) = 9 г/моль.
Задачи для самостоятельного решения
2.1. Молярная масса эквивалента металла равна 9 г/моль. Рассчитать молярную массу эквивалента его нитрата и сульфата.
Ответ: 71 г/моль; 57 г/моль.
2.2. Молярная масса эквивалента карбоната некоторого металла составляет 74 г/моль. Определить молярные массы эквивалентов этого металла и его оксида.
Ответ: 44 г/моль; 52 г/моль.
2.3. Рассчитать объём 1 моля эквивалента сероводорода (н.у.), который окисляется до оксида серы (IV).
Ответ: 3,73 л.
2.4. Определить молярную массу эквивалента Ni(OH)Cl в реакциях:
Ni(OH)Cl + NaOH = Ni(OH)2 + NaCl.
Ответ: 55,6 г/моль; 111,2 г/моль.
2.5. При взаимодействии 4,8 г неизвестного металла и 13 г цинка с соляной кислотой выделяется одинаковый объём водорода. Вычислить молярные массы эквивалентов металла, его оксида и его хлорида.
Ответ: МЭ(металла)=12 г/моль; МЭ(оксида)=20 г/моль, МЭ(хлорида)=47,5 г/моль.
2.6. Рассчитать молярные массы эквивалентов металла и его гидроксида, если хлорид этого металла содержит 79,7 мас.% хлора, а молярная масса эквивалента хлора равна 35,5 г/моль.
Ответ: МЭ(металла)=9 г/моль; МЭ(оксида)=26 г/моль.
2.7. Какой объём 0,6 М раствора H2O2 пойдёт на окисление 150 мл 2н. раствора FeSO4 в реакции:
Ответ: 250 мл.
2.8. Определить объём хлора (н.у), необходимый для окисления 100 мл 0,5н раствора K2MnO4.
Ответ: 0,56 л.
2.9. 0,66 г кислоты требуются для нейтрализации 10 мл 1М раствора КОН. Найти молярные массы эквивалентов кислоты и ее кальциевой соли в обменной реакции.
Ответ: МЭ(кислоты)=66 г/моль; МЭ(соли)=85 г/моль.
2.10. Бромид металла в результате обменной реакции полностью переведен в сульфат, при этом масса уменьшилась в 1,47 раз. Найти молярную массу эквивалента металла. Определить какой это металл.
Ответ: МЭ(металла)=20 г/моль; Са.
Источник
Определение эквивалентной массы металла
Методические указания
Закон эквивалентов открыт в конце 18 века: вещества взаимодействуют между собой в количествах, пропорциональных их химическим эквивалентам. Для решения задач удобно пользоваться другой формулировкой: массы (объемы) реагирующих веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам)
— количество эквивалентов 
— количество эквивалентов
Химическим эквивалентом элемента (молярной массой эквивалента) называется такое его количество (моль), которое соответствует 1 моль атомов водорода (соединятся с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях). Химический эквивалент не является постоянной величиной, он зависит от валентности (степени окисления) элемента.
Молярная масса эквивалента (м э ) – это масса одного эквивалента (грамм/моль*экв, килограмм/моль*экв). Молярная масса эквивалента равна частному от деления молярной массы его атомов (А) на валентность (степень окисления) элемента (В) в данном соединении:
Например, молярная масса эквивалента серы в SO2 и SO3 соответственно равны 32/4 = 8 г/моль и 32/6 = 5.33 г/моль.
Эквивалентным объемом (л/моль, м 3 /моль) называется объем, занимаемый при данных условиях (Р, Т) 1 эквивалентов вещества. Значения эквивалентного объема вещества, находящегося в газообразном состоянии, можно найти, зная, что в молярном объеме любого газа, состоящего из одноатомных молекул, содержится 2 моля атомов и т.д. Так в 22.4 л Н2 содержится при нормальных условиях (Р=760 мм рт.ст.=101325 Па; Т = 273 К) 2 моля атомов водорода. Поскольку эквивалент водорода равен 1 моль, то в 22.4 л Н2 содержится 2 эквивалента водорода; значит, эквивалентный объем водорода равен
22.4/2 = 11.2 л/моль = 11.2 * 10 -3 м 3 /моль.
Пример № 1.Определить эквивалента и эквивалентные массы элементов в соединениях HF, H2O, NH3, CH4.
Решение. В указанных соединениях с 1 моль атомов водорода соединяется 1 моль атомов фтора, 1/2 моль атомов кислорода, 1/3 моль атомов азота, 1/4 моль атомов углерода.
Следовательно, фактор эквивалентности фтора, кислорода, азота и углерода соответственно равны 1 моль, 1/2 моль, 1/3 моль, 1/4 моль. Исходя из молярных масс атомов этих элементов, определяем, молярную масса эквивалента фтора равна 19 г/моль, кислорода – 16 * 1/2 = 8 г/моль, азота – 14 * 1/3=4.67 г/моль, углерода – 12 * 1/4=3 г/моль.
Для определения молярной массы эквивалента не обязательно исходить из его соединения с водородом. Молярную массу эквивалента можно вычислить по составу соединения данного элемента с любым другим, молярная масса эквивалента которого известна.
Пример № 2.Вычислить молярную массу эквивалента металла, зная, что его хлорид содержит 79.78% хлора. Молярная масса эквивалента хлора равна 35.45 г/моль•экв.
Решение. Содержание металла в этом соединении составляет: 100 – 79.78=20.22%. Согласно закону эквивалентов: количество эквивалентов металла равно количеству эквивалентов хлора mме/ М э ме = mСl/ М э Сl, т.е.
20.22/ М э ме = 79,78/35.45 => М э ме=20.22•35.45/79.78=8.98 г/моль. Молярная масса эквивалента металла равена 8.99 г/моль.
Молярные массы эквивалентов химических соединений так же как молярные массы эквивалентов элементов могут иметь переменные значения. Это определяется характером превращения веществ.
Молярные массы эквивалентов оксидов в реакциях обмена:
где Моксида – молярная масса оксида; n – число атомов элемента;
В – валентность (степень окисления) элемента.
Пример № 3.Определить эквивалентные массы оксидов железа.
Решение. Железо образует три оксида FeO, Fe2O3, FeO3.
Молярные массы эквивалентов кислот в реакциях обмена:
где Мкислоты – молярная масса кислоты; nн – число атомов водорода, содержащихся в молекуле кислоты, способных замещаться на металл.
Пример№4.Определить молярную массу эквивалента и фактор эквивалентности H3PO4 в следующих реакциях:
Решение. Молярная масса H3PO4 равна 98 г/моль.
В реакции (1) количество nн атомов водорода, заместившихся на металл, равно 3, следовательно эквивалент Н3Р04 равен 1/3 моль, а эквивалентная масса ЭН3Р04 = 98/3 = 32.7 (г/моль).
В реакции (2) пн-2, следовательно, эквивалент Н3Р04 равен 1/2 моль, а эквивалентная масса Э = 98/2 = 49 (г/моль).
В реакции (3) пн= 1, следовательно, эквивалент Н3Р04 равен 1 моль, а эквивалентная масса Э = 98/1 = 98 (г/моль).
Молярные массы эквивалентов оснований в реакциях обмена:
где Mоснования – молярная масса основания; nон – валентность металла ли число гидроксильных групп в молекуле основания, способных заместиться на кислотный остаток.
Пример № 5.Определить молярную массу эквивалента и фактор эквивалентности Сu(ОН)2 в следующих реакциях:
Решение. Молярная масса Сu(ОН)2 равна 97.5 г/моль. В реакции (1) количество гидроксильных групп nон, заместившихся на кислотный остаток, равно 2, следовательно фактор эквивалентности Сu(ОН)2 равен 1/2 моль, а молярная масса эквивалента М э Сu(ОН)2 = 97.5/2 = 48.75 (г/моль).
В реакции (2) количество гидроксильных групп nон, заместившихся на кислотный остаток, равно 1, следовательно эквивалент Сu(ОН)2 равен 1 моль, а эквивалентная масса ЭСu(ОН)2 = 97.5/1 = 97.5(г/моль).
Эквиваленты солей в реакциях обмена:
где Мсоли – молярная масса соли; –число атомов металла; –валентность (степень окисления) металла.
Пример № 6.Определить молярную массу эквивалента сульфата алюминия.
Окислительно-восстановительные эквиваленты определяются путём деления молярной массы на число электронов, идущих на восстановление или окисление
где Мо(в) – молярная масса окислителя (восстановителя); nе – число электронов, идущих на окисление (восстановление).
Пример № 7.Чему равна молярная масса эквивалентна перманганата калия как окислителя, если это вещество в процессе реакции восстанавливается: 1) до сульфата марганца; 2) до диоксида марганца; 3) манганата калия?
Решение. 1) При восстановлении KMnO4 до MnSO4 степень окисления марганца понизится с +7 до +2, т.е. число электронов, идущих на восстановление, равно 5. Следовательно,
2) При восстановлении KMnO4 до MnO2 степень окисления марганца понизится с +7 до +4, т.е. число электронов, идущих на восстановление, равно 3. Следовательно,
3) При восстановлении KMnO4 до K2MnO4 степень окисления марганца понизится с +7 до +6, т.е. число электронов, идущих на восстановление, равно 1. Следовательно,
Выполнение работы
Определение эквивалентной массы металла
Задание: Определить экспериментально эквивалентную массу металла (магния, цинка – по заданию преподавателя) по количеству выделившегося водорода в реакции взаимодействия металла с соляной кислотой
Вычислить ее теоретическое значение и относительную ошибку эксперимента.
Приборы и реактивы.Прибор для определения эквивалента металла (рис.1.1.). Аналитические весы. Термометр. Барометр. Мерный цилиндр на 25-50 мл. Стаканчик химический. Фильтровальная бумага. Навеска металла (химически чистого) около 0.04 – 0.05 г. Соляная кислота (10мас.% раствор).
Ход определения.
1. Налить через воронку в бюретку воду до нулевого деления. Плотно закрыть отверстие бюретки пробкой со стеклянной трубкой. В одну часть сосуда Ландольта поместить навеску цинка. Другую часть сосуда через воронку наполнить на две трети объема разбавленной (10мас.%) соляной кислотой. Присоединить сосуд к свободному концу трубки, соединенной с бюреткой.
2. Проверить герметичность прибора. Для этого опустить или поднять воронку вместе с кольцом на 10-15 см. Если уровень воды в бюретке не меняется, то прибор герметичен и можно приступать к опыту. Если уровень воды в бюретке меняется, то необходимо плотнее закрыть пробками бюретку и сосуд, снова проверить и т.д. Уровень воды V1 в бюретке до начала опыта записать с точностью до 0.1 мл.
3. Привести в контакт кислоту и металл, осторожно наклоняя сосуд Ландольта. После полного растворения металла выждать 5-7мин., чтобы содержимое сосуда охладилось. Затем установить на одной высоте уровень воды в бюретке и воронке. При этом внутри прибора создается давление, равное давлению наружного воздуха. Записать уровень воды V2 в бюретке после опыта.
4. Результаты эксперимента внести в журнал по форме:
Уровень воды в бюретке:
Объем водорода при нормальных условиях (н.у.) V, мл………………
Температура опыта T = 273+t, K…………………………………………
Барометрическое давление P, мм рт.ст…………………………………..
Давление насыщенного водяного пара h, мм рт.ст. при температуре опыта……………………………………………………
Экспериментальная эквивалентная масса металла М э эксп, г/моль……….
Теоретическая эквивалентная масса металла М э теор, г/моль……………..
Относительная ошибка e, %.
Рис. 1.1.Прибор для определения эквивалента металла:
1) Бюретка для измерения объёма выделившегося водорода;
2) Сосуд Ландольта для проведения реакции;
3) Каучуковая трубка;
1. Подсчитать VН2, вытесненного водорода по разности уровней в бюретке:
2. Привести это объем к нормальным условиям:
Величину h посмотреть в справочнике. Поправку h вводят вследствие того, что общее давление на воду является суммой пропорциональных давлений водорода и воды.
3. Вычислить экспериментальную массу металла:
где — эквивалентный объем водорода, равный 11200 мл/моль.
4. Сравнить найденную экспериментальную эквивалентную массу металла с теоретически посчитанным Этеор = А/В, вычислив в процентах ошибку опыта:
3. Контрольные вопросы и задачи
1. Вычислить молярные массы эквивалентов следующих элементов:
а) магния, если известно, что при нагревании одного моль его в токе кислорода, масса увеличилась на 66.7%. Ответ: 11.9 г/моль;
б) олова, если при нагревании 0.9185 г его в токе кислорода образуется 1.166 г оксида олова. Ответ: 29.68 г/моль.
2. Определить молярную массу эквивалента элемента, если при восстановлении 1.3 г оксида этого элемента алюминием получилось 1.02г оксида алюминия, содержащего 47% кислорода. Ответ: 13.66г/моль.
3. Написать формулу соединения сурьмы с серой, если известно, что молярная масса атомов сурьмы равна 121.8 г/моль, эквивалентная масса ее — 40.6 г/моль, молярная масса атомов серы равна 32 г/моль, эквивалентная масса — 16 г/моль.
4. Определить молярные массы эквивалентов и факторы эквивалентности кислот и оснований в следующих реакциях:
5. Вычислить молярную массу эквивалента и фактор эквивалентности хромата калия К2СrO4 как окислителя, если К2СrO4 восстанавливается до КСrO2.
6. Определить молярную массу эквивалента металла, если 0.34*10 -3 кг его вытесняют из кислоты 56.94*10 -6 м 3 водорода при температуре 0°С и давлении 94643 Па. Ответ: 67.8 г/моль.
7. Определить молярную массу эквивалента металла в следующих соединениях:
8. Чему равен эквивалентный объем кислорода?
Источник
