Примеры расчета эквивалентов веществ.

1. Рассчитать эквивалент железа в реакциях:

а) Fe + H₂SO_{4 (разб.)} = FeSO₄ + H₂;

б) 2Fe +6H₂SO_{4 (конц.)} = Fe₂(SO₄)₃ +3 SO₂ + 6H₂O.

Для реакции (а) Fe – 2e = Fe⁺² и эквивалентное число Z =2. Эквивалент железа равен Э = ½ ФЕ, молярная масса эквивалента железа равна

М _экв = ½ М = 55,85: 2 = 27,925 г/моль.

Для реакции (б) Fe – 3e = Fe⁺³ и эквивалентное число Z =3. Эквивалент железа равен Э = ⅓ ФЕ, молярная масса эквивалента железа равна

М _экв = ⅓ М = 55,85: 3 = 18,617 г/моль.

2. Вычисление эквивалентного числа для кислот, оснований и солей в реакциях обмена.

Для кислоты эквивалентное число определяется количеством ионов водорода, замещающихся ионами металла, т.е. основностью кислоты:

а) H₃PO₄ + NaOH = NaH₂PO₄ + H₂O, Z (H₃PO₄) =1

б) H₃PO₄ + 2 NaOH = Na₂HPO₄ + 2H₂O, Z (H₃PO₄) =2

в) H₃PO₄ + 3 NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O, Z (H₃PO₄) =3

Для основания эквивалентное число определяется количеством ионов гидроксида, замещающихся анионами кислоты, т.е. кислотностью основания:

а) Al(OH)₃ + HCl = Al(OH)₂Cl + H₂O, Z [Al(OH)₃] = 1

б) Al(OH)₃ + 2HCl = Al(OH)Cl₂ + 2H₂O, Z [Al(OH)₃] = 2

в) Al(OH)₃ + 3HCl = Al(OH)₃ + 3H₂O, Z [Al(OH)₃] = 3

Для соли эквивалентное число определяется произведением валентности (степени окисления) катиона (или аниона по модулю) n на количество катионов (или анионов) m: Z = n·m

а) NaCl, Z =1·1=1; б) Na₂SO₄, Z = 1·2=2; в) Al₂(SO₄)₃, Z =3·2=6;

г) Na[HSO₄], Z =1·1=1; д) [Al(OH)]Cl₂, Z =2·1=2;

e) [Cu(NH₃)₄](OH)₂, Z =2·1=2.

3. Вычисление эквивалентного числа окислителя и восстановителя в окислительно-восстановительной реакции.

Эквивалентное число окислителя и восстановителя в окислительно-восстановительной реакции определяется количеством принятых или отданных электронов.

3 H₂S + K₂Cr₂O₇ + 4 H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3 S + K₂SO₄ + 7 H₂O

восстановитель: H₂S – 2e = S + 2H⁺, Z = 2, М _экв = = =17 г/моль;

окислитель: Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6e = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O, Z = 6,

М _экв = = = 35,99 ≈ 36 г/моль

Экспериментально эквивалент элемента может быть определен химическим путем - определением количества присоединяемого или замещаемого элементом водорода, кислорода или другого элемента, эквивалент которого известен, или электрохимическим путем на основании закона Фарадея, согласно которому при прохождении 96494 Кл электричества через раствор электролита на электродах превращается один эквивалент вещества.

В данной работе использован наиболее простой и доступный способ определения эквивалента активного металла, основанный на измерении объема водорода при реакции вытеснения его из раствора соляной кислоты:

Me + n HCl = MeCl_n + H₂

Согласно закону эквивалентов, один эквивалент металла вытесняет один эквивалент водорода, имеющий молярную массу эквивалента 1 г/моль.

Используя закон Авогадро, можно определить объем, который занимает один эквивалент водорода при определенных физических условиях. При нормальных физических условиях (р = 1,013·10⁵ Па или р =760 мм рт. ст., Т = 298 К) 1 моль водорода, имеющий массу 2 г/моль, занимает объем

V = 22,4 л, тогда 1 моль эквивалента водорода, имеющий массу 1 г/моль, должен занимать объем V _экв = 11,2 л. Таким способом можно рассчитать эквивалентный объем любого газа при нормальных условиях.

Вопросы для предварительной подготовки лабораторной работы

1. Что называют эквивалентом вещества? Как определяется эквивалентное число и фактор эквивалентности?

2. Определите эквивалентное число и фактор эквивалентности для веществ:

а) Fe₂O₃,б) HClO₄, в) NaHS, г) MgOHCl, д) Ca(OH)₂.

3. Как связаны молярная масса вещества и молярная масса эквивалента? Рассчитайте молярную массу эквивалента веществ, приведенных в вопросе 1.

4. Как рассчитывается молярная масса эквивалента окислителя и восстановителя в окислительно-восстановительной реакции?

5. Рассчитайте молярную массу эквивалента перманганата калия KMnO₄, рассматривая данное соединение как:

а) соль; б) окислитель, превращающийся в MnO(OH)₂;

в) окислитель, превращающийся в MnSO₄.

6. Какой объем занимает при нормальных условиях 1 моль эквивалента

газообразного вещества: а) кислорода, б) хлора; в) углекислого газа?

7. Используя закон эквивалентов, рассчитайте объем оксида

углерода (II), который потребуется для восстановления железа из 1 кг

оксида железа (III) при нормальных условиях.

Практическая часть

1. Описание прибора.

Определение молярной массы эквивалента металла выполняется на приборе, изображенном на рисунке. Прибор состоит из штатива (1), на котором закреплены бюретки (2) и (3), соединенные шлангом. Бюретки имеет поперечное сечение, равное 1 см², и градуированы с точностью 0,1 см, причем нулевая отметка находится в верхней части бюретки. К бюретке (3) при помощи стеклянных трубок, соединенных резиновым шлангом (4), присоединена пробирка (5) с отводной трубкой (6). Бюретки заполнены водой, пробирка (5) – концентрированной соляной кислотой. В отводную трубку помещают образец металла с известной массой и, переводя пробирку из положения (6) в положение (7), сбрасывают металл в кислоту. При взаимодействии металла с кислотой в пробирке (5) выделяется водород, который, поступая в бюретку (3), вытесняет воду из нее в бюретку (2). Измерения проводят при одинаковом положении уровней воды в обеих бюретках, что определяет одинаковое давление.

Рис. 1. Прибор для определения молярной массы эквивалента металла объемным методом.

2. Проведение опыта.

Перед началом опыта бюретки должны находиться в таком положении относительно друг друга, чтобы уровень воды в них был примерно на середине шкалы отсчета. Отводную трубку (6) и закрывающую ее пробку перед началом опыта насухо вытирают фильтровальной бумагой, после чего

в нее помещают полученный образец металла с известной массой m. Трубку плотно закрывают пробкой, осторожно ввинчивая ее. Прибор проверяют на герметичность. Для этого медленно поднимают или опускают бюретку (2), наблюдая за колебаниями уровня воды в бюретке (3). Если прибор не герметичен, то уровни в обеих бюретках будут выравниваться. В этом случае нужно проверить положение всех пробок и снова проверить прибор.

После проверки прибора на герметичность, уравнивают положение воды в обеих бюретках и отмечают положение уровня в бюретке (3) по нижнему мениску, записывая его значение по градуировочной шкале h ₁ с точностью 0,1 см. После чего осторожно сбрасывают металл в кислоту, переводя пробирку (5) из положения (6) в положение (7). По мере понижения уровня воды в бюретке (3) опускают бюретку (2), следя за тем, чтобы уровни в обеих бюретках были приблизительно на одной высоте, что определяет равенство давлений в них.

По окончании процесса растворения металла в кислоте точно выравнивают положение уровней в обеих бюретках и записывают положение уровня в бюретке (3) по шкале h ₂ с той же точностью. Объем выделившегося водорода V в реакции:

Me + n HCl = MeCl_n + H₂

равен разности уровней V = h₂ – h₁, имеет размерность см³ и относится к атмосферным условиям (p, T) проведения опыта.

Эквивалент металла Э _мет, имеющий молярную массу М _экв, вытесняет эквивалент водорода Э , который при нормальных условиях занимает объем V _экв= 11200см³, а используемая в опыте масса металла m вытесняет объем водорода V ₀, пересчитанный на нормальные условия. В соответствии с законом эквивалентов, это можно представить в виде уравнения (1):

(1)

Измеренный объем водорода при атмосферных условиях (p, T) пересчитывается на нормальные условия по уравнению Клапейрона (2):

(2),

в котором p ₀, V ₀, T ₀ относятся к нормальным условиям, а p, V, T - к условиям проведения опыта. Давление p газов в бюретке (3) в соответствии с законом Дальтона будет равно сумме парциальных давлений воздуха p _возд, водорода p _Н и насыщенного водяного пара p _пар:

p = p _возд + p _Н + p _пар (3).

При одинаковом положении уровней воды в обеих бюретках давление p _атм = p _возд + p _Н в бюретке (3) будет меньше атмосферного на величину давления насыщенного водяного пара, которое зависит только от температуры (таблица 1).

p = p _атм - p _пар (4)

Подставляем в уравнение (1), выражение из уравнения (2) V ₀.Получаем уравнение для расчета молярной массы эквивалента металла М _экв:

М _экв = (5)

Таблица 1