Химический эквивалент. Закон эквивалентов

После установления закона постоянства состава химики начали изучать конкретные массовые соотношения, в которых соединяются между собой те или иные химические элементы. Изучение этих соотношений привело к тому, что в начале XIX века английский учёный Дж. Дальтон ввёл в науку понятие об эквивалентах химических соединений. Понятие эквивалент важно для химии прежде всего потому, что на его основе был сформулирован закон эквивалентов:

 

«элементы соединяются между собой в определённых массовых соотношениях, пропорциональных их эквивалентам».

Впоследствии понятие эквивалент стали применять не только по отношению к отдельным химическим элементам, но и к химическим соединениям в целом. В связи с введением системы СИ, в которой основной единицей количества вещества является моль, претерпело некоторые изменения и понятие эквивалент.

В настоящее время принято следующее определение эквивалента:

 

Эквивалентом (Э) вещества называется такое его количество, которое в химических реакциях соединяется с 1 моль атомов водорода или замещает его в соединениях.

 

Размерность эквивалента такая же, как количества вещества: моль.

Например, в реакции

2Н₂ + О₂ → Н₂О

1 моль атомов Н эквивалентен ½ моль атомов О, следовательно, Э(О) = ½ моль.

 

Масса одного эквивалента вещества называется эквивалентной массой (М_экв); размерность эквивалентной массы такая же, как молекулярной массы: кг/моль или г/моль. Например, М_экв (Н) = 1 г/моль; М_экв (О) = 8 г/моль.

Количество вещества эквивалента (n _экв) равно отношению массы вещества (m) к эквивалентной массе: n _экв = m/M _экв. Например, если имеется 32 г кислорода, то n _экв = 32/8 = 4 моль.

Для двух взаимодействующих элементов, ионов или соединений из закона эквивалентов следует, что n _экв(А) = n _экв(В), тогда

 

=

 

или

=

Последняя формула является математическим выражением закона эквивалентов:

массы взаимодействующих элементов, ионов или соединений относятся между собой как молярные массы их эквивалентов.

Молярная масса и эквивалентная масса связаны соотношением:

М_экв = f_экв ∙ М

где f_экв – так называемый фактор эквивалентности, который для элемента равен 1/В, где В – стехиометрическая валентность элемента в данном соединении; f_экв –величина безразмерная. (Стехиометрическая валентность – формальная валентность, следующая из формулы соединения).

Так, для серы в Н₂S (валентность серы равна 2) f_экв = ½ моль и М_экв (S) = 32/2 = 16 г/моль. Для алюминия в Al₂O₃ (стехиометрическая валентность алюминия равна трём) f_экв (Al) = ⅓, откуда Э(Al) = ⅓ моль и М_экв

(Al) = 27/3 =9 г/моль.

Для различных классов неорганических соединений соединений фактор эквивалентности равен:

 

для оксида

f_экв =

 

для основания

f_экв =

 

для кислоты

f_экв =

 

для соли

f_экв =

 

Отсюда следует:

для оксида

М_экв =

 

Например: М_экв (Al₂O₃) = = 17 г/моль

 

для основания

М_экв =

 

Например: М_экв (Al(ОН)₃) = = 26 г/моль

 

для кислоты

М_экв =

Например: М_экв (H₂SO₄) = = 49 г/моль

 

для соли

М_экв =

 

Например: М_экв (Al₂(SO₄)₃) = = 57 г/моль

 

Эквивалентная масса бинарного (состоящего из двух элементов) соединения равна сумме эквивалентных масс составляющих его элементов. Например, М_экв (СаО) = М_экв (Са) + М_экв (О) = 40/2 + 16/2 =28 г/моль; М_экв (Al₂O₃) = 27/3 + 16/2 = 17 г/моль. Полученные данные значения аналогичны полученным ранее.

Эквивалент вещества (и, следовательно, его эквивалентная масса) может меняться в зависимости от реакции, в которой это вещество участвует, поэтому необходимо указывать, к какой конкретно реакции относится эквивалент. Например:

1) Н₃РО₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O

 

2) Н₃РО₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O или

½ Н₃РО₄ + NaOH →½ Na₂HPO₄ + 2H₂O

 

3) Н₃РО₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O или

⅓ Н₃РО₄ + NaOH → ⅓Na₃PO₄ + 3H₂O

 

Из соотношений между количествами реагирующих веществ следует, что в первой реакции Э (Н₃РО₄) = 1 моль, а во второй - ½ моль и в третьей - ⅓ моль. В первом случае М (Н₃РО₄) = = 98 г/моль; во втором М (Н₃РО₄) = = 49 г/моль; в третьем М (Н₃РО₄) = = 32,6 г/моль.

 

Пример решения некоторых задач:

 

№ 1 На нейтрализацию 1 г кислоты израсходовано 1,247 г гидроксида калия. Вычислите эквивалентную массу кислоты.

Р е ш е н и е

В соответствии с формулой

 

=

 

 

∙ M _(экв)(КОН) = ∙ 56 = 45 г/моль.