Основные понятия химии и единицы их измерения

 

Количество вещества (n) – это физическая величина, которая характеризует число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов, протонов, эквивалентов и др.) в определенной порции вещества.

Единица измерения количества вещества – моль.

Моль – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов, эквивалентов и др.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода ¹²С, то есть 6,02·10²³.

Это число (6,02·10²³) называется числом Авогадро. Измеряется в моль^-1.

Необходимо указывать, к каким структурным единицам относится понятие моль, например, «моль молекул водорода», «моль атомов водорода», «моль ионов водорода», «моль эквивалентов» и др.

Молярная масса – масса 1 моль вещества. Единица измерения г/моль.

Например, М(Н₂О) = 18 г/моль, М(NaOH) = 40 г/моль, М(HNO₃) = 63 г/моль.

Эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать один ион водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или один электрон в окислительно-восстановительных реакциях.

Молярная масса эквивалентов – физическая величина, измеряемая произведением молярной массы вещества на фактор эквивалентности.

Молярная масса эквивалентов – масса 1 моль эквивалентов, т.е. 6,02·10²³ эквивалентов. Обозначение М(f_экв.Х), М( Х), М_э(Х). Единица измерения г/моль.

Фактор эквивалентности – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

Молярная масса – это абсолютная константа индивидуального вещества, молярная масса эквивалентов – константа вещества в конкретной реакции.

Фактор эквивалентности рассчитывается на основе стехиометрии данной реакции из равенства f_экв.(Х) = , где z -

· в кислотно-основной реакции - основность кислоты или кислотность основания; определяется числом ионов водорода или гидроксид-ионов, участвующих в данной конкретной реакции;

· в окислительно-восстановительной реакции – число электронов, которые отдает или присоединяет частица в данной окислительно-восстановительной реакции.

Ниже приведены формулы для вычисления молярных масс эквивалентов сложных веществ:

 

Современные рекомендуемые обозначения физических величин, примеры их записи и расчета	Ранее используемые обозначения физических величин, примеры их записи и расчета
М( оксида)= ·М(оксида) М( Al2O3)= ·102= 17(г/моль)
М( кислоты)= ·М(кислоты) М( H2SeO4)= ·145=72,5(г/моль)
М( основания)= ·М(основания) М( Ca(OH)2)= ·74=37(г/моль)
М( соли)= ·М(соли) М( Fe2(SO4)3)= ·400=66,67(г/моль)

 

Молярная масса эквивалентов одного и того же вещества зависит от течения реакции:

H₂SO₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

 

В первом случае молярная масса эквивалентов H₂SO₄ равна ее молярной массе, во втором – половине молярной массы, так как в первом случае в реакции принимает участие один ион водорода (основность равна 1, f_экв= ), а во втором – два иона водорода (основность равна 2, f_экв= ).

М( H₂SO₄)=1 М(H₂SO₄)=98 (г/моль) или

М( H₂SO₄)= М(H₂SO₄)=49(г/моль) или

 

Для определения фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции необходимо написать уравнение реакции и электронный баланс реакции.

Например, для реакции взаимодействия натрия и серы запишем уравнение реакции и электронный баланс:

 

Каждый атом натрия отдает один электрон, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому

f_экв(Na) = 1/1, f_экв(S) = 1/2.

Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

М_экв(Na) = f_экв(Na) · M(Na);

A_r (Na) = 23, M(Na) = 23 г/моль, М_экв(Na) = (1/1)·23 = 23 (г/моль);

М_экв(S) = f_экв(S) · M(S);

A_r (S) = 32, M (S) = 32 г/моль, М_экв(S) = (1/2)·32 = 16 (г/моль).

 

Закон эквивалентов.

 

Закон эквивалентов дает количественное соотношение между массами вступающих во взаимодействие реагентов или связанных в химических соединениях элементов.

=

Из последнего соотношения следует:

= ,

т.е. число моль эквивалентов вступающих в реакцию или образующихся в результате реакции веществ равны между собой:

n_{э 1 =} n_{э 2}

Количественным выражением закона эквивалентов для реакций, протекающих в растворах, является соотношение:

,

где с_н – нормальная концентрация вещества (молярная концентрация эквивалента).

Раствор, содержащий в одном литре один моль эквивалентов растворенного вещества, называется однонормальным (1,0 н.), 0,1 моль эквивалентов - децинормальным (0,1 н.), 0,01 моль эквивалентов – сантинормальным (0,01 н.)

Примеры решения типовых задач.

 

Пример 1. Расчет количества вещества по числу структурных единиц.

Задача 1. Какое количество вещества гидроксида меди (II) содержит 1,505·10²³ атомов водорода?

Решение. Количество вещества гидроксид-ионов в гидроксиде меди (II), выраженное в моль, составляет:

(ОН^-) =

В соответствие с формулой гидроксида меди (II) – Сu(OH)₂, в одной молекуле этого соединения содержится два гидроксид-иона. Это означает, что

(Cu(OH)₂) = .

Пример 2. Расчет молярной массы эквивалента элемента по составу химического соединения на основе закона эквивалентов.

Задача 1. Оксид металла содержит 28,57% кислорода. Определите молярную массу эквивалента металла.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов массы связанных между собой в химическом соединении металла m(Me) и кислорода m(O) пропорциональны молярным массам их эквивалентов

= (1)

Полагая массу оксида равной 100 г, имеем m(O)=28,57 г и m(Me)=71,43г. Поскольку молярная масса эквивалента кислорода М_э(О)=8г/моль, из выражения 1 находим молярную массу эквивалента металла:

М_э(Ме)=

 

Пример 3. Расчет молярной массы эквивалента вещества по массе и объему участвующих в реакции веществ на основе закона эквивалентов.

Задача 1. 2,14 г металла вытесняют из кислоты 2 л водорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента металла.

Решение. Согласно закону эквивалентов количество вещества эквивалентов металла равно количеству вещества эквивалентов водорода

(2)

_э. (Me) _{= ; э.} (H₂) _{= ,} где (3)

(H₂) – эквивалентный объем водорода, равный

;

V_m – молярный объем газа при н.у., равный 22,4 л/моль.

Тогда в соответствии с выражениями (2) и (3)

_, откуда

.

Пример 4. Расчет молярной массы эквивалента элемента по соотношению масс реагента и продукта реакции на основе закона эквивалентов.

Задача 1. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,6 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалента металла.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов соотношение масс нитрата и гидроксида металла равно

= (4)

Молярные массы эквивалентов нитрата и гидроксида металла равны

M_э1 = M_э(Me) + M_э(NO₃^-) = M_э(Me) + 62

M_э2 = M_э(Me) + M_э(OH^-)= M_э(Me)+17

Подставляя эти выражения в уравнение (4) имеем

= или = .

Решая последнее уравнение относительно M_э(Me), имеем

M_э(Me)=15г/моль.

 

Пример 5. Определение молекулярной массы газообразного вещества на основе его плотности.

Задача 1. Масса 1 л газа при н.у. равна 1,175 г. Вычислите молекулярную массу газа и массу одной молекулы газа.

Решение. Поскольку один моль газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, его молярная масса равна

М(газа) = 1,175 · 22,4 = 26,32 (г/моль).

Поскольку в 1 моль любого вещества содержится 6,02 · 10²³ молекул, масса одной молекулы определяется по формуле

m=

Пример 6. Определение фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции.

Задача 1. При взаимодействии алюминия и серы образуется сульфид алюминия. Вычислите факторы эквивалентности и молярные массы эквивалентов алюминия и серы.

Решение. Фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.

Реакция взаимодействия алюминия и серы протекает согласно уравнению:

Каждый атом алюминия отдает три электрона, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому

f_экв(Al) = 1/3, f_экв(S) = 1/2.

Молярная масса эквивалента вещества – это масса вещества, эквивалентная 1 моль ионов водорода в кислотно-основной реакции или 1 моль электронов в окислительно-восстановительной реакции. Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

М _экв(Al) = f_экв(Al) · M(Al);

A_r (Al) = 27; M(Al) = 27 г/моль; М_экв (Al) = 1/3·27 = 9 г/моль;

М_экв(S) = f_экв(S) · M(S);

A_r (S) = 32; M(S) = 32 г/моль; М_экв(S) = 1/2·32 = 16 г/моль.