Определение молярной массы эквивалента металла

Обновлено: 14.05.2024

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ
ЭКВИВАЛЕНТОВ МЕТАЛЛОВ

Цель работы – ознакомление с понятием эквивалент вещества и методикой расчета молярной массы эквивалентов по закону эквивалентов.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Моль эквивалентов вещества (эквивалент) - это такое его количество, которое взаимодействует с одним молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Моль эквивалентов водорода равен одному 1 моль.

Чтобы определить эквивалент вещества надо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество.

Одному молю атомов водорода соответствует ½ моля магния, ½ моля MgSO ₄ и ½ H ₂ SO ₄ .

Э ( Mg ) = ½ моля, Э ( MgSO ₄ ) = ½ моля, Э( H ₂ SO ₄ ) = ½ моля.

Э ( NaOH ) = 1 моль , Э (Na₂SO₄) = ½ моля .

Э ( О₂) = ¼ моля, Э(Н₂О) = ½ моля.

Массу 1 моля эквивалентов называют молярной массой эквивалентов (эквивалентная масса М_Э). Исходя из понятия моля эквивалентов и эквивалентной массы, для расчета молярной массы эквивалентов вещества можно использовать формулы:

для простого вещества

Для сложного вещества

М _А- атомная масса элемента

М – молярная масса вещества

В - валентность элемента или функциональной группы

n - количество функциональных групп.

Для оснований функциональной является гидроксогруппа (ОН‾), для кислот ион водорода (Н + ), для солей ион металла.

Рассчитать молярную массу эквивалентов сульфата алюминия.

Для газообразных веществ удобнее пользоваться понятием объем моля эквивалентов (эквивалентный объем). Согласно закону Авогадро моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра (молярный объем, V _М ). Исходя из этого можно рассчитать эквивалентный объем любого газа ( V _Э ). Например V _Э (Н ₂ )=11,2 л, V _Э (О₂)=5,6 л.

Все вещества реагируют друг с другом в эквивалентных количествах в соответствии с законом эквивалентов:

Массы (объемы), участвующих в реакции веществ, пропорциональны их эквивалентным массам (эквивалентным объемам).

Из закона эквивалентов следует, что число молей эквивалентов участвующих в реакции веществ одинаковы.

Эквивалент вещества может измениться в зависимости от условий реакций.

1 экв . 1 экв . 1 экв . 1 экв .

М_Э ( NaOH ) = М ( NaOH ) = 40 г / моль

2 экв . 2 экв . 2 экв . 2 экв .

1 экв . 1 экв . 1 экв . 1 экв

2 экв . 2 экв . 2 экв . 2 экв

Молярная масса эквивалентов металла равна 56 г/моль. Какой объем кислорода (н.у.) образуется при разложении 1,28 г оксида этого металла.

Согласно закону эквивалентов:

Оксид металла это соединение металла с кислородом, поэтому молярная масса эквивалентов оксида представляет собой сумму:

М _Э( оксида) = М_Э(металла) + М_Э(О₂) = 56 + 8 = 64 г/моль

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приборы и реактивы: прибор для измерения объема водорода, кислота соляная ( W = 20%), цинк гранулированный.

Сущность опыта заключается в определении объема водорода, выделившегося при взаимодействии цинка с кислотой и расчете эквивалентной массы цинка по закону эквивалентов.

Описание работы:

Определение эквивалентной массы цинка по объему вытесненного водорода осуществляется на лабораторной установке (рис.1).

Установка состоит из двух бюреток: рабочей измерительной Б ₁ и уравнительной Б₂, соединенных резиновой трубкой Т и заполненных подкрашенной водой. К рабочей бюретке при помощи газоотводной трубки Г присоединена пробирка П.

Перед началом выполнения опыта необходимо проверить герметичность установки. Для этого пробирку плотно надеть на пробку газоотводной трубки, после чего уравнительную бюретку поднять или опустить на 15-20 см, закрепить ее в этом положении лапками штатива и наблюдать в течение 1-2 минут за положением в ней уровня жидкости. Если за это время уровень воды не изменится, это будет означать, что прибор герметичен, и можно приступать к выполнению работы.

Для удобства отсчета объема выделившегося водорода перед началом работы жидкость в измерительной бюретке установить на нулевую отметку (по нижнему мениску).

В пробирку П налить 5-6 мл 20% -ой соляной или серной кислоты, опустить в пробирку навеску металла и быстро надеть пробирку на пробку с газоотводной трубкой, не нарушая герметичности прибора.

Когда весь металл растворится и прекратится выделение водорода, дать пробирке остыть 1-2 минуты, и не снимая пробирки, привести положение жидкости в измерительной и уравнительной бюретке к одному уровню, для чего уравнительную бюретку опустить вниз. Отметить объем выделившегося водорода в мл в измерительной бюретке от нулевой отметки до уровня жидкости (по нижнему мениску).

Рис.1. Лабораторная установка для определения эквивалентной массы металла

1. Навеска металла m , кг

2. Объем выделившегося водорода V , л

3. Температура t , 0 С

4. Абсолютная температура Т , К

5. Атмосферное давление Р , кПа

6. Давление насыщенного водяного пара при данной температуре (Р_Н ₂ _O ), кПа (см. таблицу 1).

7. Парциальное давление водорода, Р_Н ₂ = Р - Р_Н _{2 О}, кПа

Расчет эквивалентной массы

1. Привести объем выделившегося водорода V к нормальным условиям V _o , применив уравнение объединенного газового закона:

где Т_О- абсолютная температура, 273 К

Р _О- давление при нормальных условиях, 101325 Па.

2. По закону эквивалентов рассчитать эквивалентную массу металла Э.

где М _э - эквивалентная масса металла, кг/моль

m – масса навески металла, кг

V _эо - эквивалентный объем водорода, л

V_о – объем водорода, приведенный к нормальным условиям, л

3. Рассчитать относительную погрешность опыта:

где Э_теор .- теоретическое значение эквивалентной массы металла,

Определение молярной массы эквивалента металла

СКАЧАТЬ: lab2_1.zip [46,69 Kb] (cкачиваний: 547)

Лабораторная работа
по химии.
«Определение молярной массы эквивалента металла».

Выполнила: Косяк Анна
Факультет: НУК РЛМ
Группа: БМТ2 - 12

Дата выполнения: 17. 09. 2004
Дата сдачи: 24. 09. 2004

М О С К В А
2 0 0 4
1. Цель работы.
Усвоить понятие эквивалент и молярная масса эквивалента и ознакомиться с одним из методов определения молярной массы эквивалента металла – объемным методом.

2. Теоретическая часть.
Эквивалент – это часть молекулы (атома) вещества, равноценная в химической реакции одному атому или иону водорода или одному электрону. Соответственно, молярная масса эквивалента вещества – это масса одного моль эквивалентов вещества, равноценная в химической реакции массе 1 моль атомов или ионов водорода или количеству электронов 1 моль.
Расчет молярной массы эквивалента вещества осуществляется по следующим правилам:
1. Химические элементы.

Где Мэ – молярная масса эквивалента элемента, М – молярная масса элемента, n - валентность.
2. Кислоты и основания.

Где Мэ – молярная масса эквивалента вещества, М – молярная масса вещества, n – основность кислоты или кислотность (количество групп ОН) основания.
3. Соли и оксиды.

Где Мэ – молярная масса эквивалента вещества, М – молярная масса вещества, N – количество катионов в формуле, n – формальный заряд катиона.
4. Окислители и восстановители.

Где Мэ – молярная масса эквивалента вещества, М – молярная масса вещества, n – количество электронов, присоединяемое одной молекулой окислителя или отдаваемое одной молекулой восстановителя.
Молярная масса одного итого же вещества может рассчитываться по – разному, в зависимости от его химических свойств.
Для экспериментального определения молярной массы эквивалента вещества необходимо найти массу данного вещества, равноценную в химической реакции молярной массе эквивалента другого известного вещества.

3. Практическая часть.
а) Название опыта.
Опыт по определению молярной массы эквивалента неизвестного металла.
б) Ход эксперимента.
Вначале необходимо ознакомиться с прибором, привести его в начальное состояние: бюретка должна находиться на таком расстоянии от поверхности лабораторного стола, чтобы ее можно было опустить вниз на 20 – 30 см.
Оценить цену деления бюретки.
Отводную трубку пробирки и пробку, закрывающую отводную трубку необходимо досуха протереть фильтровальной бумагой.
Получить образец металла у преподавателя и записать его массу.
Образец металла поместить в отводную трубку и расположить примерно на ее середине. После этого плотно закрыть пробирку.
Провести проверку прибора на герметичность. Для этого передвинуть бюретку на 10 – 15 см. и наблюдать за изменением уровня воды в бюретке в течение 1 – 2 минут. Если высота уровня остается постоянной, то прибор герметичен, если нет, то нужно более плотно вставить пробки в бюретку, пробирку и отводную трубку.
С помощью бюретки уравнять уровни воды в бюретках и записать показания бюретки, т. е. начало отсчета. Показания бюретки нужно определять по нижнему краю мениска воды.
После проведения этих приготовлений прибора к работе, можно начинать опыт. Для этого приподнять пробирку и постучать пальцем по отводной трубке пробирки, чтобы образец металла переместился из отводной трубки в раствор кислоты.
Наблюдать за протеканием реакции.
Дождаться окончания реакции.
После окончания реакции между металлом и кислотой и охлаждением реакционного сосуда выровнять уровни воды в бюретках и записать положение уровня воды в бюретке, тем самым, определив значение Vк - конечную точку отсчета объема выделившегося водорода.
в) Наблюдения.
В результате реакции наблюдается выделение газа. Изменяется уровень воды в бюретке.
г) Уравнение реакции.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
д) Проведение расчетов.

Дано: Решение.
Vн = 1, 8 мл m * 11200 * (273 + tком.) * P0
Vк = 15, 6 мл Мэ(эксп.) = —————————————
Рат. = 749 мм рт. ст. V * 273 * (Pат. – PH2O)
Р0 = 760 мм рт. ст.
tком. = 230 V = |Vk – Vн| = 15, 6 мм – 1, 8 мм = 13, 8 мм
M = 0, 125 г Так как tком = 230, то PH2O = 21, 07 мм рт. ст.

Найти: Мэ 0, 0125 * 11200 * (273 + 23) * 760
Мэ(эксп.) = ——————————————— = 11, 48г
13, 8 * 273 * (749 – 21, 07)
После расчета молярной массы эквивалента металла по результатам проведенного опыта надо идентифицировать металл по его молярной массе. Для этого по формуле М (Ме) = n * Мэ(Ме) рассчитать молярную массу для трех значений валентности (степени окисления) n, равных 1, 2 и 3.
n = 1
М (Ме) = 1 * 11, 48 = 11, 48 г/моль

n = 2
М (Ме) = 2 * 11, 48 = 22, 9 г/моль

n = 3
М (Ме) = 3 * 11, 48 = 34, 4 г/моль
По таблице Д. И, Менделеева выбирается металл, проявляющий соответствующую валентность, для которого расхождение с табличными данными не превышает 1 – 2 г/моль.
В нашем случае подходит металл 2 группы Mg.
После этого надо рассчитать теоретическое значение Мэ(теор.):
Мэ(эксп.) - Мэ(теор.)
Мэ(теор.) = М (Ме) / n; η = —————————— * 100%;
Мэ(теор.)

Мэ(теор.) = 22, 9 / 2 = 11, 45 г/моль
И ошибку экспериментального определения молярной массы эквивалента металла η по формулам:

11,48 – 11, 45
η = ——————— * 100% = 0, 002 * 100% = 0, 2%
11, 45

е) Иллюстрационный материал

ж) Вывод.
Так как погрешность проведенных расчетов не превышает 5 % и на основании таблицы Менделеева, можно утверждать, что полученный у преподавателя металл является магнием.

4. Контрольные вопросы.

1. Что такое эквивалент и молярная масса эквивалента?
Эквивалент – это часть молекулы (атома) вещества, равноценная в химической реакции одному атому или иону водорода или одному электрону.
Молярная масса эквивалента вещества – это масса одного моль эквивалентов вещества, равноценная в химической реакции массе 1 моль атомов или ионов водорода или количеству электронов 1 моль.

2. Как рассчитывается молярная масса эквивалента вещества для химических элементов и соединений различных классов (соли, оксиды, кислоты, основания), а также для соединений, проявляющих свойства окислителей или восстановителей?

Молярная масса рассчитывается по следующим правилам:
1. Химические элементы.

4. Какой объем оксида углерода СО, взятый при нормальных условиях требуется для получения железа из 1 кг его оксида Fe2O3?

Мэ(Fe2O3) = (2 * 56 + 3 * 16) / (1 * 3) = 53, 3 г/моль
1кг x
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + CO2
n = 3 моль n = 1 моль
Mэ = 53, 3 г/моль Vm = 22, 4 л/моль
m = 159, 9 г V = 22, 4 л

159, 9 г - 22, 4 л
1 кг - х

1000 г * 22, 4 л
х = ———————— = 140 л
159, 9 г
Ответ: V(CO) = 140 л

5. Рассчитать молярную массу эквивалента азотной кислоты HNO3, рассматривая данное соединение как:

а) кислоту
Мэ = М / n = (1 + 14 + 3 * 16) / 1 = 63 г/моль
б) окислитель, превращающийся в NO
N+5 + 3ē = N+2
Мэ = М / n = (1 + 14 + 3 * 16) / 3 = 21 г/моль
в) окислитель, превращающийся в NH3
N+5 + 8ē = N-3
Мэ = М / n = (1 + 14 + 3 * 16) / 8 = 7, 8 г/моль

6. Какое количество серной кислоты H2SO4 необходимо для реакции с 300г оксида алюминия Al2O3 при условии образования средней соли Al2(SO4)3 ?

Мэ(H2SO4) = М / n = (2 + 32 + 16 * 4) / 2 = 49 г/моль
Мэ(Al2O3) = М / (N * n) = (2 * 27 + 3 * 16) / (2 * 3) = 17 г/моль

х 300г
3 H2SO4 + Al2O3 = Al2(SO4)3 + 3H2O
n = 3 моль n = 1 моль
Мэ = 49 г/моль Мэ = 17 г/моль
m = 147 г m = 17 г/моль

Теоретические основы. Согласно закону эквивалентов, вещества реагируют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

Фактор эквивалентности (химический эквивалент), f_Э - это количество вещества (моль), которое реагирует с 1 молем атомов водорода или замещает это количество в химических соединениях.

Молярная масса эквивалента, М_Э - это масса одного эквивалента вещества (г/моль).

М_Э = f_Э М (М - молярная масса вещества)

Вычисление молярных масс эквивалентов проводятся с использованием следующих формул:

а) для простых веществ и элементов в соединениях

М_Э = М / В (В - валентность элемента)

б) для кислот или оснований М_Э = М / n(n - основность кислоты или кислотность основания, т.е. число ионов Н + или ОН - )

в) для оксидов и солей М_Э = М / p q( p - число атомов металла; q - валентность металла)

Число эквивалентов веществаn = m / M_Э.

Для веществ, находящихся в газообразном состоянии

n = V 0 / V_Э 0 (V 0 - объем газа при н.у.)

V_Э 0 - молярный объем эквивалента газа - объем, занимаемый одним эквивалентом газа при нормальных условиях.

Способы записи закона эквивалентов:

Цель работы. Экспериментально определить объем водорода, выделившегося в процессе реакции магния с соляной кислотой. Зная эквивалентный объем водорода, вычислить молярную массу эквивалента магния, используя закон эквивалентов.

Порядок работы.

1. Опыты по определению объемов газов, выделяющихся в процессе реакции, проводятся в специальных приборах, называемых эвдиометрами. Стандартный эвдиометр состоит из двух соединенных резиновым шлангом трубок, одна из которых градуирована (бюретка) и соединена посредством резиновой пробки и шланга с пробиркой. Неградуированная трубка называется уравнительным сосудом. Выделяющийся водород из склянки Оствальда (или пробирки) поступает в верхнюю часть градуированного сосуда и вытесняет из него воду. Разность уровней воды в градуированном сосуде до и после реакции равна объему выделившегося водорода. Открытый неградуированный сосуд называется уравнительным.

2. Проверьте герметичность прибора: присоединив пробирку к эвдиометру, опустите уравнительный сосуд на 20-25 см ниже его первоначального положения; если прибор герметичен, уровень воды в градуированном сосуде, несколько понизившись в начальный момент, в дальнейшем остается постоянным.

3. Отсоединив пробирку, установите уравнительный сосуд так, чтобы уровень воды в градуированном сосуде совпал с верхней меткой шкалы - V₁ (уровень отсчитывается по нижнему мениску жидкости).

4. Взвесьте на технохимических весах 0.12-0.15 г магниевой стружки (m) и заверните металл в бумагу, на которой проводилось взвешивание, таким образом, чтобы получившийся сверток мог свободно перемещаться в пробирке и был открыт с одного конца для обеспечения доступа кислоты к магнию.

5. Отмерьте мерным цилиндром 10 мл соляной кислоты и залейте ее в пробирку.

6. Держа пробирку наклонно, поместите в верхнюю часть ее сверток с магнием и присоедините к эвдиометру.

7. Стряхните сверток с магнием в кислоту. В процессе химической реакции следите за тем, чтобы весь магний прореагировал с соляной кислотой.

8. После окончания реакции охладите пробирку до комнатной температуры.

9. Опустите уравнительный сосуд до приведения воды в нем к одному уровню с водой в градуированном сосуде. Снимите показание уровня воды - V₂.

10. Запишите температуру ( t ) и давление ( Р ) в лаборатории. По таблице зависимости давления пара от температуры (приложение 1) определите давление насыщенного водяного пара ( h ).

11. Проведите расчет молярной массы эквивалента магния. Имейте в виду, что измеренный при давлении Р и температуре t объем выделившегося водорода (V₂ - V₁ ) не может быть непосредственно применен к расчетам молярной массы эквивалента металла. Необходимые расчетные формулы приводятся в форме лабораторного отчета.

12. Рассчитайте по формуле теоретическое значение молярной массы эквивалента магния.

13. Рассчитайте абсолютную ( А ) и относительную ( К ) ошибки опыта.

14. Сделайте выводы о точности Ваших измерений и возможных причинах ошибки.

15. Составьте лабораторный отчет по прилагаемой форме.

Форма лабораторного отчета.

1. Название лабораторной работы.

2. Краткое описание, цель работы.

3. Уравнение реакции.

4. Экспериментальные данные:

а) масса металла m = .

б) уровень воды в бюретке до реакции V₁ = .

в) уровень воды в бюретке после реакции V₂= .

г) объем выделившегося водорода V = V₁ - V₂ = .

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1. Ознакомить студентов с основными химическими законами и единицами массы.

2. С помощью математической обработки подученных студентами экспериментальных данных сделать вывод о названии металла, данного для работы и его положении в периодической таблице Д.И. Менделеева.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вспомним основные частицы вещества:

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами и состоящая из атомов. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. Химический элемент можно определить как вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств.

Простейшим примером сказанному может служить молекула хлористого водорода ( HCl ). Водород и хлор, вступая в реакцию, теряют свои свойства, характерные для газообразных Н₂ и Cl₂, поэтому считается, что в состав хлористого водорода входят элементы – водород и хлор.

Масса атомов и молекул выражается в атомных единицах массы (а.е.м.), принятых в 1961 г. За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12 С. Таким образом, масса атома или молекулы любого вещества представляется относительной величиной, показывающей, во сколько раз масса данного атома (молекулы) тяжелее выбранной атомной единицы массы.

Так, относительная атомная масса цинка (Ar) равна 65.38 а.е.м., относительная молекулярная масса воды (Mr) равна 1,008 ∙ 2 + 15,9994 = 18,0154 а.е.м. и т.д.

Однако при решении задач и в расчетах по уравнениям реакций гораздо чаще пользуются понятием «моль».

Моль – это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 граммах изотопа углерода 12 C.

Применяя слово «моль», необходимо в каждом случае точно указывать, какие единицы входят в данное вещество. Существует понятия «моль атомов», «моль молекул» и т.д. Масса одного моля взятого вещества называется его молярной массой. Она выражается в г/моль.

Числовое значение молярной массы вещества в г/моль равно относительной молекулярной массе Mr, если вещество состоит из молекул, или относительной атомной массе Ar, если вещество состоит из атомов. Например, молярная масса атомарного кислорода равна ~16 г/моль, молекулярного кислорода ~32 г/моль.

Моль любого вещества содержит совершенно одинаковое количество структурных единиц. Это число называет числом Авогадро, его значение принимают равным 6,02·10 23 .

Часто в химических расчетах используется понятие эквивалента.

Эквивалентом вещества называется такое его количество, которое соединяется без остатка с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Например, в соединениях HCl, H₂S и NH₃ эквивалент элементов хлора, серы и азота соответственно равен 1 моль, ½ моля и 1/3 моля. Масса одного эквивалента называется его эквивалентной массой или молярной массой эквивалента.Выражается в г/моль.

Так, в приведенных примерах эквивалентные массы хлора, серы и азота легко подсчитать, используя атомные массы этих элементов, они соответственно равны m_э(Cl) = 35,5 г/моль; m_э(S) = 32:2 = 16 г/моль; m_э(N) = 14:3 = 4,7 г/моль. Из разобранных примеров видно, что эквивалентная масса элемента находится из соотношения

Эквивалентная масса или .

Понятие об эквивалентах и эквивалентных массах распространяется также на сложные вещества. Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с одним эквивалентом водорода или вообще с одним эквивалентом любого другого вещества.

1. Эквивалентная масса оксида складывается из значений эквивалентных масс, составляющих оксид элементов.

а) Эквивалентные массы металла и кислорода в оксиде ZnO, соответственно, равны половине молярных масс атомов:

б) Валентность серы в оксиде SO₃ равна 6, следовательно

2. Эквивалентная масса кислоты равна её молярной массе, деленной на основность кислоты (число атомов водорода в молекуле кислоты).

а) Молярная масса HNO₃ равна 63 г/моль. Кислота одноосновная, следовательно .

б) Молярная масса H₃PO₄ равна 98 г/моль. Основность равна 3.

3. Эквивалентная масса основания равна его молярной массе, деленной на валентность металла, образующего основание.

Молярная масса Mg(OH)₂ равна 58 г/моль, валентность цинка 2. .

4. Эквивалентная масса соли равна отношению её молярной массы к произведению валентности металла на число его атомов в молекуле.

а) Молярная масса Na₂CO₃ равна 106 г/моль. Валентность металла I, число его атомов 2.

5. Эквиваленты одних и тех же сложных веществ и их эквивалентные массы могут иметь различные значения, если их рассматривать не как отдельные вещества, а составные части химических реакций, в которых они участвуют.

H₂CO₃ + 2NaOH = Na₂CO₃ + 2H₂O	(1)
H₂CO₃ + NaOH = NaHСO₃ + H₂O	(2)

эквивалент H₂CO₃ и его масса зависит от количества атомов водорода, участвующих в реакции и соответственно равны:

, – по уравнению (1);	(1)
, – по уравнению (2);	(2)

Cr(OH)₃ + 2HCl = CrOHCl₂ + 2H₂O;	(3)
Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂O;	(4)

, – по уравнению (3);

(3)

т.к. в реакции было замещено только две гидроксидных группы на кислотный остаток.

, – по уравнению (4);

(4)

т.к. произошло замещение всех трех гидроксогрупп.

Известно несколько способов определения эквивалента.

I. Прямое или непосредственное определение эквивалента из соединения элементов с водородом или кислородом.

Пример 1. Рассчитать эквивалент железа в его оксиде FeO.

Эквивалент кислорода по определению равен ½ моля атомов, эквивалентная масса кислорода равна 16 : 2 = 8 г/моль. В данном соединении на ½ моля атомов кислорода приходится столько же, т.е. ½ моля атомов железа. Следовательно, эквивалент железа в данном оксиде равен ½ моля, а его эквивалентная масса 56 : 2 = 28 г/моль.

II. Определение эквивалента с помощью закона эквивалентов.

Закон эквивалентов (эквивалентных масс), предложенный в 1803-1814 гг. Дальтоном и Рихтером: Элементы и вещества соединяются друг с другом, а также замещают друг друга, в химических реакциях в строго определенных весовых количествах, прямо пропорциональных их эквивалентам.

Математическая запись закона такова:

где m₁ и m₂ – массы взаимодействующих элементов или веществ, г;

m_Э1 и m_Э2 – соответственно эквивалентные массы этих веществ, г/моль.

Пример 2. Определить эквивалентную и молярную массы 3-валентного металла, зная, что 0,52 г его при окислении образуют 0,98 г оксида.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов

Массу кислорода определим по разности масс оксида и металла

m_O = 0,98 – 0,52 = 0,46 г.

Эквивалентная масса кислорода известна, она равна 8 г/моль.

Т.к. валентность металла равна 3, то его молярная масса

Пример 3. Вычислить эквивалентную массу металла, если в его хлориде массовая доля хлора 79,78 %, эквивалентная масса хлора равна 53,45 г/моль.

Решение. Массовая доля w металла в хлориде равна

w = 100 - 79,78 = 20,22 %.

Согласно закону эквивалентов, отношение массы металла и массы хлора в соединении должно быть равно отношению их эквивалентных масс

Пример 4. Определите молярную массу двух валентного металла, если 14,2 г оксида этого металла образуют 30,2 г сульфата металла.

Эквивалентная масса сульфата металла равна .

Согласно закону эквивалентов

Т.к. валентность металла равна 2, то его молярная масса равна:

A = 27,5 · 2 = 55 г/моль.

III. Если в химической реакции одно из участвующих веществ находится в газообразном состоянии, то запись закона эквивалентов выражается формулой

где соответственно m_(Me) и m_э(Me) – масса металла и его эквивалентная масса, а V и V_э - объем вступившего в реакцию газа и объем эквивалентной массы этого газа.

Для расчета объемов реагирующих газов необходимо знание Закона Авогадро и его следствий.

Закон Авогадро (1911): В равных объемах различных газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.

Следствия из закона Авогадро:

1. Один моль любого газа при нормальных условиях (н.у.) –температура 0 ºС и давление 760 мм.рт.ст. занимает один и тот же объем равный 22,4 литра. Этот объем называют – молярным объемом газа V_М = 22,4 л/моль.

2. Один моль любого газа содержит одно и то же число молекул, а именно N_A = 6,02 · 10 23 моль -1 .

3. Относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных (M) или относительных молекулярных масс

На основании этих следствий можно рассчитать количество вещества

Пример 5. Рассчитать массу 3 л хлора, взятого при н.у.

Решение. Т.к. молярная масса хлора (Cl₂) равна 35,5 ∙ 2 = 71 г/моль то из соотношения (IV) легко найти массу искомого объема

Пример 6. Сколько молей и сколько молекул содержится в 2,2 г углекислого газа? Какой объем они занимают при н.у.?

Решение. Т.к. молярная масса углекислого газа (СО₂) равна 44 г/моль, то

Найдем объем газа при н.у.

Пример 7. Определите массу молекулы газа, если масса 2 л газа (н.у.) равна 0,357 г.

Решение. Исходя из молярного объема газа определим молярную массу газа

Число молекул в 1 моль любого вещества равно постоянной Авогадро. Следовательно, масса молекул газа (m) равна

Первое следствие из закона Авогадро позволяет рассчитать объемы эквивалентных масс различных газов:

Так, если эквивалентная масса водорода равна 1,008 г/моль, то её объем равен

Подобным образом находится объем эквивалентной массы кислорода, который оказывается равным

Пример 8. При растворении 0,506 г металла в серной кислоте выделилось 100,8 мл водорода, измеренного при н.у. Определить эквивалентную массу металла.

Задачу можно решить двумя способами:

а) прямой подстановкой данных в формулу (II).

б) используя формулу (I), откуда

, где m_э(H) = 1,008 г/ моль.

Для решения задачи в этом случае надо найти m₍_H2). Согласно следствию из закона Авогадро

Теперь найденное значение m₍_H2) подставим в формулу (I)

Значения эквивалентных масс позволяют определить атомную массу металлов по формуле:

A = т_э · В, (V)

где В – валентность металла

А – его атомная масса, в г/моль.

Если же валентность металла неизвестна, то атомную массу можно определить через удельную теплоемкость. В данных расчетах используется правило Дюлонга и Пти: Произведение удельной теплоемкости простого твердого вещества на его атомную массу для большинства элементов приблизительно одинаково. Полученная величина имеет среднее значение, равное 26,8 Дж/моль·К (6,3 кал/моль·град). Она носит название атомной теплоемкости металлов (С_А) и представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 моля атомов металла на один Кельвин. Математически это правило имеет вид

С_А = А · С ~ 26,8 Дж/моль·К

(VI)

где С – удельная теплоемкость металла, Дж/г·К;

А – атомная масса взятого металла, г/моль.

Под удельной теплоемкостью понимается то количество тепла, которое необходимо затратить для нагревания 1 г вещества на 1 Кельвин.

Пример 9. При окислении 0,16 г металла образовалось 0,223 г оксида. Вычислить точную атомную массу металла, зная, что удельная теплоемкость 0,635 Дж/г·К.

Решение. По правилу Дюлонга и Пти найдем приближенное значение атомной массы данного металла

По формуле (1) найдем эквивалентную массу этого металла. Масса кислорода 0,223 г. – 0,16 г. = 0,063 г.

Зная приближенную атомную массу металла и его эквивалентнуюмассу, можно найти валентность этого металла.

Закон эквивалентов. Понятие эквивалент. Молярная масса эквивалента

Одним из основных законов химии является закон эквивалентов, открытый в конце 18 века: массы элементов, соединяющихся друг с другом, пропорциональны их эквивалентам:

где m_A, m_В – массы взаимодействующих веществ А и В;

Э_А и Э_В – эквиваленты этих веществ.

Эквивалент – это реальная или условная частица, которая в кислотно-основных реакциях ионного обмена равноценна одному атому или одному иону водорода, а в окислительно-восстановительных реакциях одному электрону.

Массу одного моля эквивалента элемента называют молярной массой эквивалента M_Э(_X₎. Значение эквивалента веществ зависит от того, в какой конкретной реакции участвует это вещество.

Молярная масса эквивалента химического элемента (M_Э(_X₎), а также простых или сложных веществ рассчитывается по формуле

где M₍_X₎ – молярная масса; вал – суммарная валентность.

Для простых веществ суммарная валентность определяется произведением валентности атома химического элемента и числа атомов. Так, молярная масса эквивалента алюминия составляет M_Э(_AI₎ = 27/3 = 9г моль -1 . Молярные массы эквивалента кислорода и водорода следует запомнить, они равны соответственно M_Э(О) = 16/2=8г моль -1 , М_Э(Н) = 1/1 = 1 г моль -1 .

Молярные массы эквивалента сложных веществ вычисляются по их химическим формулам с учетом происходящих химических реакций.

К сложным веществам относятся оксиды, гидроксиды, соли.

Суммарная валентность оксидов равна произведению валентности кислорода (2) на количество атомов кислорода в молекуле. Суммарная валентность гидроксидов определяется их кислотностью, которая равняется числу замещенных гидроксильных групп. Суммарная валентность кислот равняется основности данных соединений, которая определятся числом замещенных атомов водорода. Суммарная валентность соли равняется произведению валентности катиона и количества катионов в молекуле, или валентности аниона и количества анионов в молекуле.

Молярная масса эквивалентов сложных веществ может быть определена как сумма молярных масс эквивалентов элементов или условных частиц, образующих данное вещество.

Мэ (оксиды) = Мэ (О) + Мэ (элемента) = 8 + Мэ (элемента), т.к. Мэ кислорода величина постоянная, равна 8г моль -1 .

Мэ (кислота) = Мэ (Н) + Мэ (кислотного остатка) = 1 + Мэ (кислотного остатка), т.к. Мэ водорода величина постоянная, 1г моль -1

Мэ (гидроксиды) = Мэ (OH - ) + Мэ (металла) = 17 + Мэ (металла), т.к. Мэ “OH” групп величина постоянная, равна 17г моль -1 .

Мэ (соли) = Мэ (катиона) + Мэ (кислотного остатка).

Пример 1. Выразите в молях: а) 6,0210 21 молекул CO₂; б) 1,2010 24 атомов кислорода; в) 2,0010 23 молекул воды. Чему равна мольная (молярная) масса указанных веществ?

Решение. Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц любого определенного сорта, равное постоянной Авогадро (6,02 10 23 ). Отсюда:

а) 6,0210 21 , т.е. 0,01 моль; б) 1,20 10 24 , т.е. 2 моль; в) 2,00 10 23 м, т.е. 1/3 моль.

Так как молекулярные массы СО₂ и H₂O и атомная масса кислорода соответственно равны 44; 18 и 16 а.е.м., то их мольные (молярные) массы равны: а) 44 г/моль; б) 18 г/моль; в) 16 г/моль.

Пример 2. Определите эквивалент (Э) и эквивалентную массу М_{Э (Х)} азота, серы и хлора в соединениях NHз ,H₂S и HCl.

Решение. Масса вещества и количество вещества – понятия неидентичные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества – в молях.

В данных соединениях с 1 моль атомов водорода соединяется 1/3 моль азота,1/2 моль серы и 1 моль хлора. Отсюда Э(N) = 1/3 моль, Э(S) = 1/2 моль, Э(Cl) = 1 моль. Исходя из мольных масс этих элементов определяем их эквивалентные массы:

Пример 3. На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 л водорода (н.у.). Вычислите эквивалентную массу оксида и эквивалентную массу металла. Чему равна атомная масса металла? Нормальные условия по Международной системе единиц (СИ): давление 1,013 10 5 Па (760 мм рт. ст. = 1 атм), температура 273 К или 0 0 С.

Решение. Согласно закону эквивалентов массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m₁ и m₂ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам):

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то, как правило, его количество измеряется в объемных единицах (см 3 , л, м 3 ).

Объем, занимаемый при данных условиях мольной или эквивалентной массой газообразного вещества, называется мольным или, соответственно, эквивалентным объёмом этого вещества. Мольный объём любого газа при н.у. равен 22,4 л. Отсюда эквивалентный объём водорода Vm_{Э (Н2)} = 22,4/2 = 11,2 л, а эквивалентный объём кислорода равен 5,6 л.

В формуле (2) отношение m_Н2/m_Э(Н2) заменяем равным ему отношением V_Н2/Vm_Э(Н2), где V_Н2 - объём водорода, Vm_Э(_MeO₎ - эквивалентный объём водорода:

Из уравнения (3) находим эквивалентную массу оксида металла m_{Э (МеО)}:

Согласно закону эквивалентов m_{Э (МеО) =} m_{Э (Ме)} + m_{Э (О2)}, отсюда

Мольная масса металла определяется из соотношения m_Э = А/В ,

где m_Э - эквивалентная масса, А - мольная масса металла, В- стехиометрическая валентность элемента; А = m_Э В = 27,452 = 54,9 г/моль. Так как атомная масса в а.е.м. численно равна мольной (молярной) массе, выражаемой в г/моль, то искомая атомная масса металла 54,9 а.е.м.

Пример 4. Вычислите эквиваленты и эквивалентные массы H₂SО₄ и Аl(OH)₃ в реакциях, выраженных уравнениями:

Решение. Эквивалент (эквивалентная масса) сложного вещества, как и эквивалент (эквивалентная масса) элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Эквивалентная масса кислоты (основность) равна мольной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл (на число вступающих в реакцию гидроксильных групп).

Пример 5. Сколько металла, эквивалентная масса которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 см 3 кислорода (н.у.)?

Решение. Так как молярная масса О₂ (32 г/моль) при н.у. занимает объем 22,4 м, то объем молярной массы эквивалента кислорода (8 г/моль) будет равен 22,4/4 = 5,6 = 5600 см 3 . По закон эквивалентов

откуда т_Ме = 12,16 ? 310/5600 = 0,673 г.

Пример 6. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалента металла (т_Э(Ме) ).

Решение. При решении задачи следует иметь в виду:

а) молярная масса эквивалента гидроксида равна сумме молярных масс эквивалентов металла и гидроксильной группы;

б) молярная масса эквивалента соли равна сумме молярных масс эквивалентов металла и кислотного остатка. Вообще молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

Учитывая сказанное, подставляем соответствующие данные в уравнение (1) примера 3:

Пример 7. В какой массе Са(ОН)₂ содержится столько же эквивалентных масс, сколько в 312 г А1(ОН)₃?

Решение. Молярная масса эквивалента А1(ОН)₃ равна 1/3 его молярной массы, т.е. 78/3 = 26 г/моль. Следовательно в 312 г А1(ОН)₃ содержится 312/26 =12 эквивалентов. Молярная масса эквивалента Са(ОН)₂ равна ½ его молярной массы, т.е. 37 г/моль. Отсюда 12 эквивалентов составляют 37 г/моль? 12 моль = 444 г.

Пример 8. Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты в граммах.

Решение. Моль любого вещества содержит постоянную Авогадро N_A структурных единиц (в нашем примере молекул). Молярная масса H₂SO₄ равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы 98/(6,0210 23 ) = 1,6310 -22 г.

Читайте также: