Цель работы: усвоить понятия химического эквивалента, молярной массы эквивалента, закона эквивалентов; ознакомиться с экспериментальным определением молярной массы эквивалента металла методом вытеснения водорода из кислоты.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Известно, что количество вещества определяется числом структурных единиц (атомов, молекул, ионов) этого вещества и выражается в молях.
Моль (n) – это единица количества вещества, содержащая столько же структурных единиц данного вещества, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода, состоящего только из изотопа 12С.
Молярная масса (М) вещества представляет собой отношение массы вещества (m) к его количеству (n), а значение молярной массы численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества или относительной атомной массой элемента, но измеряется в г/моль.
Эквивалентом вещества (nэ), вступающего в какую-либо реакцию, называют такое его количество, которое приходится на единицу валентности соответствующего элемента при образовании им соединения.
Химический эквивалент и молярная масса эквивалента представляют собой важнейшие характеристики элементов, простых и сложных веществ, учитывая то, что согласно закону эквивалентов все вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах.
Единицей химического эквивалента (nэ), так же как и количества вещества является моль, а молярная масса эквивалента (Мэ), соответственно измеряется в г/моль.
Так, водород в своих соединениях, как правило, одновалентен, и его эквивалент равен 1 моль Н или 1/2 моль Н2, а молярная масса его эквивалента Мэ(Н) = 1 г/моль.
Кислород в своих соединениях двухвалентен, тогда его эквивалент равен 1/2 моль О или 1/4 моль О2, а молярная масса его эквивалента Мэ(О) = 8 г/моль.
Железо в своих соединениях может быть и двух-, и трехвалентным, тогда его эквивалент в первом случае будет равен 1/2 моль Fe, а молярная масса эквивалента Мэ(Fe) = 28 г/моль. Эквивалент железа во втором случае будет равен 1/3 моль Fe, а молярная масса эквивалента Мэ(Fe) = 18,6 г/моль. Следовательно, молярную массу эквивалента простого вещества можно рассчитать по формуле:
, (1)
где М(эл-та) – молярная масса элемента;
В(эл-та) – валентность элемента.
Молярные массы эквивалентов сложных веществ (оксидов, кислот, оснований, солей) рассчитываются несколько иначе.
Молярная масса эквивалента оксида рассчитывается отношением молярной массы оксида к произведению числа атомов элемента на его валентность.
,
где М(оксида) – молярная масса оксида;
n(эл-та) – число атомов элемента;
В(эл-та) – валентность элемента.
Для оксида железа (Ш), например, молярная масса его будет равна:
Молярная масса эквивалента кислоты рассчитывается отношением молярной массы кислоты к числу атомов водорода в кислоте, способных замещаться в химических реакциях.
,
где М (кислоты) – молярная масса кислоты;
n (H) – число замещающихся в химической реакции атомов водорода.
Для серной кислоты (H2SO4), например, молярная масса эквивалента будет равна:
Молярная масса эквивалента основания рассчитывается отношением молярной массы основания к числу гидроксогрупп.
,
где М (основания) – молярная масса основания;
n (OH) – число гидроксогрупп.
Для гидроксида кальция (Ca(OH)2), например, молярная масса эквивалента будет равна:
Молярная масса эквивалента соли рассчитывается отношением молярной массы соли к произведению числа атомов металла на их валентность.
,
где М (соли) – молярная масса соли;
n (Ме) – число атомов металла;
В (Ме) – валентность металла.
Для сульфата натрия (Na2SO4), например, молярная масса эквивалента будет равна:
Из закона эквивалентов следует, что массы вступающих и образующихся в результате реакции веществ прямопропорциональны молярным массам их эквивалентов:
, (2)
где m (1) и Мэ (1) – масса и молярная масса эквивалента первого вещества;
m (2) и Мэ (2) – масса и молярная масса эквивалента второго вещества.
Из следствия из закона Авогадро вытекает понятие молярный объем - объем, который занимает 1 моль любого газа при нормальных условиях, т.е. при р = 105 Па (1 атм или 760 мм рт. ст.) и Т = 273 К (0о С). Значение этого объема равно 22,4 л/моль (22400 мл/моль). Отсюда можно вывести понятие и молярного объема эквивалента газа (или эквивалентного объема) – объема, занимаемого при нормальных условиях одним эквивалентом (одной молярной массой эквивалента) газа.
Известно, что эквивалент водорода равен 1/2 моль Н2, тогда молярный объем эквивалента водорода Vэ(Н2) = 11,2 л/моль; соответственно Vэ(О2) = 5,6 л/моль, т.к. эквивалент кислорода равен 1/4 моль О2.
Если же в реакции участвуют газы и известны их объемы, то соотношение (2) можно представить следующим образом:
(3)
где m (1) и Мэ (1) – масса и молярная масса эквивалента первого вещества;
V (2) и Vэ (2) – объем и молярный объем эквивалента второго вещества.
Следует иметь ввиду, что объемы, входящие в соотношение (3), нужно приводить к нормальным условиям по формуле объединенного закона Гей-Люссака – Бойля –Мариотта:
, откуда 
(4)
где р, V, Т – давление, объем и температура газа при условиях опыта;
ро, Vо, То – давление, объем и температура газа при нормальных условиях.
Известны методы экспериментального определения молярных масс эквивалентов: 1) метод прямого определения – молярную массу эквивалента определяют по данным прямого синтеза кислородного или водородного соединения данного элемента; 2) аналитический метод – производится точный анализ соединения данного элемента с любым другим, молярная масса эквивалента которого известна; 3) метод вытеснения водорода - используется для определения молярной массы эквивалента тех металлов, которые способны вытеснить водород из разбавленных кислот и щелочей; 4) электрохимический метод – определяется масса металла, осаждающегося на электроде при электролизе раствора соли этого металла. Молярная масса эквивалента рассчитывается по закону Фарадея: при прохождении через раствор или расплав электролита 965000 Кулонов электричества на электродах выделяется по одному эквиваленту вещества.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Сущность экспериментального определения молярной массы эквивалента металла заключается в определении объема водорода (приведенного к нормальным условиям), вытесняемого из кислоты навеской металла, взятой на аналитических весах.
Произведением молярной массы эквивалента металла на его валентность определяют молярную массу атома металла.
По молярной массе атома металла и его валентности находят местоположение металла в периодической системе элементов Д.И.Менделеева, т.е. его название.
По указанию преподавателя студент взвешивает на аналитических весах навеску металла известной валентности.
Прибор для определения молярной массы эквивалента изображен на рисунке.
Перед началом работы прибор следует проверить на герметичность. Для этого отсоединяют пробирку А от прибора, через воронку С заливают водой таким образом, чтобы уровень воды в бюретке В установился на нулевом делении или несколько ниже; избыток воды удалить. Присоединяют пробирку А на место. Затем поднимают воронку C вверх и следят за уровнем воды в бюретке В. Если уровень в последней непрерывно повышается, то это означает, что прибор негерметичен и следует проверить все резиновые соединения. Если же прибор герметичен, то повышение уровня воды в бюретке В произойдет незначительно только в первый момент, а потом он будет оставаться неизменным.
Убедившись в герметичности прибора, отсоединяют пробирку А от прибора и, записав начальный уровень воды в бюретке В, наливают в пробирку А 1/4 ее объема соляной кислоты, приготовленной для определения молярной массы эквивалента металла соответствующей валентности.
Держа пробирку А в положении, близком к горизонтальному, помещают на сухое место у отверстия пробирки взвешенный металл и в таком положении соединяют пробирку А с бюреткой В, следя за тем, чтобы металл не упал в кислоту.
Убедившись вторично в герметичности прибора путем поднятия воронки С вверх, стряхивают металл в кислоту и наблюдают за ходом реакции.
По окончании реакции (прекращение выделения пузырьков водорода), устанавливают уровень воды в бюретке В и воронке С на одной высоте, перемещая кольцо К с воронкой С вниз по штативу, и записывают уровень воды в бюретке В после окончания опыта. Шкала бюретки В проградуирована в миллилитрах (мл).
С помощью барометра определяют величину атмосферного давления (ратм), термометра – температуру (t) воздуха в помещении (соответственно и температуру воды в приборе) в момент проведения опыта.
С помощью таблицы 1 определяют давление водяного пара (рН2Опар ), соответствующего измеренной температуре опыта, в мм рт.ст.
Таблица 1
Зависимость давления водяного пара от температуры
| t, оС | |||||||||||
| рН2Опар | 12,8 | 13,6 | 14,5 | 15,5 | 16,5 | 17,5 | 18,7 | 19,8 | 21,1 | 22,4 | 23,8 |
Порядок расчета
1. Определите объем выделившегося водорода в результате опыта. Для этого от значения уровня воды в бюретке В после окончания опыта (V2) следует вычесть значение уровня воды в бюретке В в начале опыта (V1).
V(Н2) = V2 – V1.
Переведите значение объема выделившегося в результате опыта водорода в кубические дециметры, учитывая, что 1 см3 = 10 –3 дм3.
2. Приведите экспериментальный объем выделившегося водорода к нормальным условиям, воспользовавшись формулой 4. Следует учесть, что давление внутри бюретки В складывается из давления водорода и давления водяного пара внутри объема бюретки при данной температуре:
ратм= рН2+ рН2Опар, тогда
где ратм – измеренное атмосферное давление во время проведения опыта;
рН2Опар – давление водяного пара при температуре опыта;
V (Н2) – экспериментальный объем водорода;
Т – температура проведения опыта (К), равная (273+t);
ро, То – давление и температура при нормальных условиях.
3. Вычислите молярную массу эквивалента металла, с точностью до 0,1 г/моль, воспользовавшись формулой 3:
4. Воспользовавшись формулой 1, рассчитайте молярную массу металла и укажите какой это металл.
Результаты эксперимента представьте в виде таблицы 2.
Таблица 2
| масса металла, г и (В) | pатм, мм рт.ст. | t, 0C | V1,, мл | V2, мл | V(H2), л | pH2Oпар, мм рт.ст. | V0(H2), л | Мэ (Ме), г/моль | М (Ме), г/моль |
5. Вычислите величины абсолютной и относительной ошибок (D Х).
Абсолютная ошибка:
D Хабс. = М (Ме) табличное – М (Ме) экпериментальное
Относительная ошибка:
Вопросы для самоконтроля
1. Что называется эквивалентом вещества?
2. Что является единицей эквивалента вещества?
3. Какую размерность имеет молярная масса эквивалента вещества?
4. Какие значения имеют молярные массы эквивалентов водорода и кислорода?
5. Как можно рассчитать молярную массу эквивалента элемента?
6. Что такое молярный объем и молярный объем эквивалента?
7. Какие значения имеют молярные объемы эквивалентов водорода и кислорода?
8. Как формулируется закон эквивалентов?
9. Почему при выполнении расчетов в экспериментальной части работы нужно знать давление водяного пара?
10. Какие Вы знаете методы экспериментального определения молярной массы эквивалента металлов?
Задачи
1. Медь с кислородом образует два соединения, в которых содержится 79,9 % меди и 20,1 % кислорода, и 88,8 % меди и 11,2 % кислорода. Определите молярные массы эквивалентов меди в этих соединениях и составьте формулы этих соединений.
2. При сгорании 3 г магния образовалось 5 г оксида магния. Рассчитайте молярную массу эквивалента магния.
3. При взаимодействии 2,4 г углерода с кислородом образовалось 5,6 г оксида. Определите молярную массу эквивалента углерода в этом соединении и напишите уравнение реакции.
4. При взаимодействии 4 г двухвалентного металла с кислородом образовалось 5,6 г оксида. Определите, какой это металл и напишите уравнение реакции.
5. При растворении в соляной кислоте 5,4 г трехвалентного металла выделилось 6,72 л водорода, измеренного при н.у. Определите, какой это металл и напишите уравнение реакции.
6. При взаимодействии одновалентного металла с 0,2 г водорода образовалось 4,8 г гидрида металла. Определите, какой это металл и напишите уравнение этой реакции.
7. При окислении 8 г металла, проявляющего валентность, равную I, получено 9 г оксида. Определите, какой это металл и напишите уравнение данной реакции.
8. Рассчитайте объем водорода, выделившегося при растворении в соляной кислоте 18 г металла, молярная масса эквивалента которого равна 9 г/моль.
9. При взаимодействии 0,9 г трехвалентного металла с серой образовалось 2,5 г сульфида металла. Определите, какой это металл, учитывая, что молярная масса эквивалента серы в этом соединении 16 г/моль. Напишите уравнение соответствующей реакции.
10. При окислении 6,4 г серы образовалось 16 г оксида. Определите молярную массу эквивалента серы в этом соединении и напишите уравнение соответствующей реакции.
