ЭКВИВАЛЕНТЫ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ. ЗАКОН

ЭКВИВАЛЕНТЫ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ. ЗАКОН

ЭКВИВАЛЕНТОВ

Понятие эквивалента, укоренившееся в химии, появилось после работ Рихтера (1793), открывшего закон эквивалентов и предложившего новый тер- мин «стехиометрия».

С введением новой физической величины – количества вещества – изме- нилось содержание понятия «эквивалент». В некоторых химических реакциях, в частности кислотно-основных, окислительно-восстановительных, ионооб- менных, принимает участие не все вещество в целом, а лишь его часть, называ- емая эквивалентом.

Эквивалентом (Э) называется реальная или условная частица вещества, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водо- рода или в данной окислительно-восстановительной реакции одному электрону. Эквивалент – величина безразмерная.

Масса одного эквивалента элемента (вещества) называется его эквива- лентной массой или молярной массой эквивалента вещества В. Молярная масса эквивалента обозначается как МЭК(В) и измеряется в г/моль.

Эквиваленты, а, следовательно, и молярные массы эквивалентов кислот, оснований, солей зависят от течения реакций, в которых участвуют. У одноос- новных кислот (HNO3, HCl, HI, HBr, HNO2 и т.д.) и однокислотных оснований (NaOH, KOH, LiOH и т.д.) эквивалент в любых реакциях равен единице, следо- вательно, молярная масса эквивалента таких соединений определяется их мо- лярной массой и в реакциях не изменяется. У многоосновных кислот, много- кислотных оснований, а также их солей эквивалент определяется стехиометри- ей реакции. В качестве примера рассмотрим реакции взаимодействия фосфор- ной кислоты со щелочью с образованием трех различных солей и рассчитаем эквивалент и молярную массу эквивалента H3PO4 в каждом конкретном слу- чае.

Пример 1.Выразите в молях: а) 6,02×10²¹ молекул С0₂; б) 1,20×10²⁴ ато- мов кислорода; в) 2,00×10²³ молекул воды. Чему равна мольная (молярная) мас- са указанных веществ?

Решение. Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц любого определенного сорта, равное постоянной Авогадро (6,02×10²³). Отсюда а) 6,02×10²¹, т.е. 0,01 моль; б) 1,20×10²⁴, т.е. 2 моль; в) 2,00×10²³, т.е. 1/3 моль.

Масса моля вещества выражается в кг/моль или г/моль. Мольная (моляр- ная) масса вещества в граммах численно равна его относительной молекуляр- ной (атомной) массе, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м.).

Так как молекулярные массы С0₂ и H₂O и атомная масса кислорода соот- ветственно 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 m_Э азота, серы и хлора в соединениях NH₃, H₂S и HCl.

Решение. Масса вещества и количество вещества – понятия неидентич- ные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества в мо- лях.

Эквивалент элемента (Э) – это такое количество вещества, которое со- единяется с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов во- дорода в химических реакциях. Масса 1 эквивалента элемента называется его эквивалентной массой (m_Э). Таким образом, эквиваленты выражаются в молях, а эквивалентные массы – в г/моль.

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 эквива- лентные массы: m_Э(N) = 1/3×14 = 4,67 г/моль; m_Э(S) = 1/2 • 32 = 16 г/моль; m_Э(Cl) = 1 • 35,45 = 35,45 г/моль.

Пример 3.На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла тре- буется 2,24 л водорода (н.у.). Вычислите эквивалентную массу оксида и экви- валентную массу металла. Чему равна атомная масса металла?

Нормальные условия по Международной системе единиц (СИ): давление 1,013 х 10⁵ Па (760 мм рт. ст. =1 атм) , температура 273 К или 0°С.

Решение. Согласно закону эквивалентов массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ т₁ и т₂ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам):

m1 mÝ (1)

mMeO mÝ ( MeO)

= m2 mÝ (2)

= 2

mÝ ( H )

(1)

(2)

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то, как прави- ло, его количество измеряется в объемных единицах (см³, л, м³).

VmÝ ( Í )

Объем, занимаемый при данных, условиях мольной или эквивалентной массой газообразного вещества, называется мольным или, соответственно, эк- вивалентным объемом этого вещества. Мольный объем любого газа при н.у.

равен 22,4 л. Отсюда эквивалентный объем водорода 2 , молекула которо- го состоит из двух атомов, т.е. содержит два моля атомов водорода, равен 22,4 :

2 =11,2 л. В формуле (2) отношение

mH / mÝ ( H )

2 2

VmÝ ( Í )

заменяем равным ему отно-

шением

VH /VmÝ ( Í )

V 2 – объем водорода, 2

– эквивалентный объ-

2 2 , где

ем водорода:

mMeO = V 2

mÝ ( MeO) Vm

Ý( H2 )

(3)

Из уравнения (3) находим эквивалентную массу оксида металла

mÝ (MeO) :

7,09

mÝ ( MeO)

= 2,24 ;

11,2

mÝ (MeO)

= 7,09 ×11,2 = 35,45 ã/ ìîëü

2,24

Согласно закону эквивалентов

mÝ (Me) = mÝ (MeÎ ) - mÝ (O ) = 35,45 - 8 = 27,45

mÝ (MeO)

= mÝ (Me) + mÝ (O )

, отсюда

2 г/моль. Мольная масса металла

определяется из соотношения m_Э=А/В, где т_Э – эквивалентная масса, А – моль- ная масса металла, В – стехиометрическая валентность элемента; А – т_ЭВ = 27,45 • 2 = 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.Сколько металла, эквивалентная масса которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 см³ кислорода (н.у.)?

Решение. Так как мольная (молярная) масса О₂ (32 г/моль) при н.у. зани- мает объем 22,4 м, то объем эквивалентной массы кислорода (8 г/моль) будет 22,4 : 4 =

= 5,6 л. = 5600 см³. По закону эквивалентов:

mMe mÝ (Me)

= 2

Ý( Î 2 )

èëè

mMe

12,16

= 310

откуда m_Ме=12,16 • 310/5600=0,673 г.

Пример 5.Вычислите эквиваленты и эквивалентные массы H₂SO₄ и Аl(ОН)₃ в реакциях, выраженных уравнениями:

H₂SO₄ + КОH = KHSO₄ + Н₂О (1) H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + Н₂ (2) Аl(ОH)₃+ HС1 = Аl(ОН)₂С1+ Н₂О (3)

Аl(ОН)₃+ 3HNO₃ = Аl(NО₃)₃+ 3H₂O (4)

Решение. Эквивалент (эквивалентная масса) сложного вещества, как и экви- валент (эквивалентная масса) элемента, может иметь различные значения и зави- сит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Эквивалентная масса кислоты (основная) равна мольной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл (на число вступающих в реакцию гид- роксильных групп). Следовательно, эквивалентная масса H₂SO₄ в реакции (1) Мн₂so₄=98 г/моль, а в реакции (2) Мн₂so₄/2 = 49 г/моль. Эквивалентная масса Аl(OH)₃ в реакции (3) М_Al(OH)3 = 78 г/моль, а в реакции (4) М_Al(OH)3/3= 26 г/моль.

Задачу можно решить и другим способом. Так как Н₂S0₄ взаимодействует с одной эквивалентной массой КОН и двумя эквивалентными массами магния, то ее эквивалентная масса равна в реакции (1) М/1 г/моль и в реакции (2) M/2 г/моль. Аl(ОН)₃ взаимодействует с одной эквивалентной массой HCl и тремя эк- вивалентными массами НNО₃, поэтому его эквивалентная масса в реакции (3) равна М/1 г/моль, в реакции (4) M/3 г/моль. Эквиваленты H₂SO₄ в уравнениях (1) и (2) соответственно равны 1 моль и ½ моль; эквиваленты Аl(ОН)₃ в уравнениях

(3) и (4) соответственно равны 1 моль и 1/3 моль.

Пример 6.Из 3,85 г нитрата металла получено 1,60 г его гидроксида. Вы- числите эквивалентную массу металла (m_ЭМе).

Решение. При решении задачи следует иметь в виду: а) эквивалент (экви- валентная масса) гидроксида равен сумме эквивалентов (эквивалентных масс) металла и гидроксильной группы; б) эквивалент (эквивалентная масса) соли ра-

вен сумме эквивалентов (эквивалентных масс) металла и кислотного остатка. Вообще эквивалент (эквивалентная масса) химического соединения равен сум- ме эквивалентов (эквивалентных масс) составляющих его частей.

Учитывая сказанное, подставляем соответствующие данные в уравнение

(1) примера 3:

3,85 = mÝ ( Me) + mÝ ( NO 3 ) ;

3,85 = mÝ ( Me) + 62

1,60

mÝ ( Me) + mÝ (OH - )

1,60

mÝ (Me) +17 ;

mÝ ( Me) =15 г/моль

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

Решение. Эквивалентная масса Аl(ОН)₃ равна 1/3 его мольной массы, т.е. 78/3 = 26 г/моль. Следовательно, в 312 г Аl(ОН)₃ содержится 312/26 =12 экви- валентов. Эквивалентная масса Ca(OH)₂ равна 1/2 его мольной 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 (см. пример 1) содержит постоянную Авогадро N_A структурных единиц (в нашем примере молекул). Мольная масса H₂SO₄ равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы 98/(6,02 • 10²³)

=1,63 • 10^-22 г.