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:

М^Э=А/В

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, м³/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 (Р₀=760 мм рт.ст.=101325 Па; Т₀ = 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 м³/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 m_ме/ М^э _ме = m_Сl/ 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 М_оксида – 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.

М^э _FeO = 71/(2*1) = 35.5 (г/моль); М^э _Fe2O3=159.6/(2*3) = 26.6 (г/моль);

М^э _FeO3= 103.8/(6*1) = 16.3 (г/моль)

Молярные массы эквивалентов кислот в реакциях обмена:

где М_{кислоты} – молярная масса кислоты; n_н – число атомов водорода, содержащихся в молекуле кислоты, способных замещаться на металл.

Пример№4. Определить молярную массу эквивалента и фактор эквивалентности H₃PO₄ в следующих реакциях:

1) H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂0;

2) H₃PO₄ + 2KOH = K₂HPO4 + 2H₂0;

3) H₃PO₄ + KOH = KH₂PO₄ + H₂0;

Решение. Молярная масса H₃PO₄ равна 98 г/моль.

В реакции (1) количество n_н атомов водорода, заместившихся на металл, равно 3, следовательно эквивалент Н₃Р0₄ равен 1/3 моль, а эквивалентная масса Э_Н3Р04 = 98/3 = 32.7 (г/моль).

В реакции (2) п_н-2, следовательно, эквивалент Н₃Р0₄ равен 1/2 моль, а эквивалентная масса Э = 98/2 = 49 (г/моль).

В реакции (3) п_н= 1, следовательно, эквивалент Н₃Р0₄ равен 1 моль, а эквивалентная масса Э = 98/1 = 98 (г/моль).

Молярные массы эквивалентов оснований в реакциях обмена:

где M_{основания} – молярная масса основания; n_он – 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:

1) Сu(ОН)₂ + 2HCl = CuCl₂ + 2H₂O;

2) Сu(ОН)₂ + HCl = CuOHCl + H₂O;

Решение. Молярная масса Сu(ОН)₂ равна 97.5 г/моль. В реакции (1) количество гидроксильных групп n_он, 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 n_он, заместившихся на кислотный остаток, равно 1, следовательно эквивалент Сu(ОН)₂ равен 1 моль, а эквивалентная масса Э_Сu(ОН)2 = 97.5/1 = 97.5(г/моль).

Эквиваленты солей в реакциях обмена:

где М_соли – молярная масса соли; – число атомов металла; – валентность (степень окисления) металла.

Пример № 6. Определить молярную массу эквивалента сульфата алюминия.

Решение. Молярная масса сульфата алюминия Al(SO₄)₃ равна 342 г/моль. Следовательно, М^э_Al2(SO4)3 = 342/(2•3) = 57 г/моль.

Окислительно-восстановительные эквиваленты определяются путём деления молярной массы на число электронов, идущих на восстановление или окисление

М^э_о(в) = М_о(в)/n_е

где М_о(в) – молярная масса окислителя (восстановителя); n_е – 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,

М^э_KMnO4 = M_KMnO4/5 = 158/5 = 31.6 (г/моль).

2) При восстановлении KMnO₄ до MnO₂ степень окисления марганца понизится с +7 до +4, т.е. число электронов, идущих на восстановление, равно 3. Следовательно,

М^э_KMnO4 = M_KMnO4/3 = 158/3 = 52.66 (г/моль).

3) При восстановлении KMnO₄ до K₂MnO₄ степень окисления марганца понизится с +7 до +6, т.е. число электронов, идущих на восстановление, равно 1. Следовательно,

М^э_KMnO4 = M_KMnO4/1 = 158/1 = 158 (г/моль).

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

Ме +2HCl = МеCl₂+H₂

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:

Навеска металла, m, г……………………………………………………..

Уровень воды в бюретке:

до опыта V₁, мл………………………………………...….....

после опыта V₂, мл…………………………………………..

Объем выделившегося водорода V_Н2, мл………………………………..

Объем водорода при нормальных условиях (н.у.) V₀, 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;

4) Воронка.

 

 

Вычисления:

1. Подсчитать V_Н2, вытесненного водорода по разности уровней в бюретке:

V_Н2 = V₂-V₁

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 Э_теор = 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:

а) HNO₃ + Bi(OH)₃ = Bi(0H)₂NO₃ + Н₂O;

б) H₂S + NaOH = NaHS + Н₂O;

в) 3H₂SO₄ + 2А1(ОН)₃ = Al(SO₄)₃ + 6H₂O;

г) Н₃РO₄ + Са(ОН)₂ = СаНРO4 + 2Н₂O;

д) 2HCl + Bi(ОН)₃ = ВiOНСl₂ + Н₂0.

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 м³ водорода при температуре 0°С и давлении 94643 Па. Ответ: 67.8 г/моль.

7. Определить молярную массу эквивалента металла в следующих соединениях:

Мn₂O₇, Мg₂P₂O₇, Сr₂O₃, Ва(ОН)₂, Аl₂(SO₄)₃ * 18Н₂O, Сa₃(РO₄)₂, Аg₂O, FeSO₄ • 7H₂O, СrРО₄.

8. Чему равен эквивалентный объем кислорода?