Химический эквивалент. Закон эквивалентов

Лабораторная работа № 5

Химические методы определения состава раствора.

Химический эквивалент вещества. Закон эквивалентов.

Объемный (титриметрический) анализ.

Метод нейтрализации – титрование растворами кислот и щелочей

Химические методы определения состава раствора связаны с проведением химической реакции между определяемым веществом (ионом), находящимся в точно отмеренном объеме (аликвоте) исследуемого раствора, и реагентом, раствор которого (титрант) малыми порциями добавляют при перемешивании к аликвоте исследуемого раствора до точки эквивалентности (ТЭ). Данный метод химического анализа называется титрованием, а точка эквивалентности – это момент титрования, когда определяемое вещество из аликвоты исследуемого раствора полностью прореагировало с реагентом, находящимся в суммарном объеме добавленного титранта. Таким образом, зная количество (число молей) реагента в добавленном титранте, можно по уравнению реакции рассчитать количество (число молей) определяемого вещества (иона) в аликвоте исследуемого раствора и далее концентрацию этого вещества.

Химические реакции, лежащие в основе титриметрического анализа должны быть: а) необратимыми, то есть идти до конца, б) строго специфическими (селективными) относительно определяемого вещества (иона) в растворе, в) достаточно быстрыми.

Аликвоты исследуемого раствора V_a обычно имеют целочисленные значения, например 5,0 см³, 10,0 см³ и т.д., их отмеряют с помощью пипеток с точностью ± 0,1 см³ и переносят в коническую колбу для титрования, а раствор реагента (титрант) добавляют к аликвоте из бюретки и его объем V_т, соответствующий точке эквивалентности, фиксируют с точностью ± 0,05 см³.

Существуют разные способы фиксации точки эквивалентности – они могут быть как визуальными, так и инструментальными. В первом случае точку эквивалентности определяют по видимым признакам, например, по изменению окраски титруемого раствора. Этот способ обычно требует присутствия в аликвоте исследуемого раствора индикатора, который добавляют (несколько капель) в колбу перед титрованием, а сам индикатор подбирают так, чтобы он резко менял окраску раствора в точке эквивалентности или вблизи нее. Инструментальные способы определения точки эквивалентности связаны с измерением некоторого физико-химического свойства титруемого раствора по мере добавления к нему новых порций титранта, например, электропроводности (кондуктометрическое титрование) или потенциала индикаторного электрода (потенциометрическое титрование). При прохождении точки эквивалентности резко меняется характер изменения измеряемого свойства (кондуктометрия) или имеет место его скачок (потенциометрия).

 

Химический эквивалент. Закон эквивалентов

В лабораторной практике при обработке результатов химического анализа удобно использовать представление об условной частице вещества – его химическом эквиваленте, а также законе эквивалентов. Химический эквивалент данного вещества – это его переменная характеристика и она зависит от конкретной реакции, в которой это вещество участвует, а закон эквивалентов позволяет проводить расчеты без составления уравнения реакции, используя для этой цели лишь ее схему.

Химическим эквивалентом вещества А в данной реакции называется его молекула (формульная частица) А или ее условная часть – , которая в реакции ионного обмена присоединяет, высвобождает или обменивается одним однозарядным ионом (в частности, ионами Н⁺ или ОН^–), а в окислительно-восстановительной реакции соответствует одному отданному (для восстановителя в полуреакции окисления) или одному принятому (для окислителя в полуреакции восстановления) электрону.

Здесь число z- целое число - называется числом эквивалентности (z = 1, 2, 3…), а число , равное – называется фактором эквивалентности, оно указывает какая условная часть молекулы А соответствует эквиваленту вещества А в данной химической реакции. Обозначение эквивалента частиц сорта А – Э (А) = .

Смысл понятия “химический эквивалент” состоит в том, что для каждого участника химической реакции число эквивалентности z, а, следовательно, и сам эквивалент определяют относительно одного и того же эталона – однозарядного иона или электрона, поэтому в данной реакции эквиваленты веществ будут равноценны друг другу. Таким образом, в реакцию вступают равные количества (числа молей) эквивалентов реагентов и образуются в результате нее равные им количества (числа молей) эквивалентов продуктов – в этом суть закона эквивалентов.

На основе известной схемы реакции:

А + В → С + Д,

можно легко определить число эквивалентности z и фактор эквивалентности для каждого из её участников и далее записать символы их эквивалентов:

, , , .

Закон эквивалентов: реагенты А и В взаимодействуют друг с другом, а продукты С и Д образуются в результате химической реакции в равных количествах их эквивалентов:

 

n () = n () = n () = n (). (1)

 

Рассмотрим несколько примеров, обосновывающих закон эквивалентов путем его сопоставления со стехиометрическим уравнением реакции.

 

Реакции ионного обмена

1) H₃PO₄ + KOH = KH₂PO₄ + H₂O (2)

В молекуле H₃PO₄ один однозарядный ион Н⁺ вступает в обменное взаимодействие, поэтому число эквивалентности кислоты z = 1, а её эквивалент совпадает с молекулой (целой частицей): Э(H₃PO₄) = H₃PO₄. Эквивалент КОН всегда соответствует его молекуле, поскольку в реакциях ионного обмена она способна обменять только один однозарядный ион ОН^–, таким образом z = 1 и Э(КОН) = КОН. Следовательно, в данной реакции на каждый эквивалент кислоты приходится один эквивалент основания и выполняется закон эквивалентов:

n ( H₃PO₄) = n ( КОН)

2) H₃PO₄ + 2KOH = K₂HPO₄ + 2H₂O (3)

В данной реакции два однозарядных иона Н⁺ в молекуле H₃PO₄ вступают в обменное взаимодействие, поэтому число эквивалентности кислоты z = 2, а ее эквивалент Э(H₃PO₄) = H₃PO₄; эквивалент основания соответствует его молекуле Э(КОН) = КОН.

Сопоставим наши выводы с уравнением реакции (3), где коэффициенты указывают число реальных молекул, участвующих в реакции - одна молекула H₃PO₄ реагирует с двумя молекулами КОН. С другой стороны, одной молекуле H₃PO₄ соответствует два эквивалента, две условные частицы H₃PO₄, а двум молекулам КОН соответствуют два эквивалента КОН. Следовательно, в реакцию вступают равные количества эквивалентов реагентов и закон эквивалентов для реакции (3) имеет вид:

n ( H₃PO₄) = n ( КОН).

 

3) H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂O (4)

В данной реакции в молекуле H₃PO₄ три однозарядных иона Н⁺ вступают в обменное взаимодействие, поэтому число эквивалентности кислоты z = 3, а ее эквивалент Э(H₃PO₄) = H₃PO₄; эквивалент основания соответствует его молекуле Э(КОН) = КОН.

Согласно уравнению реакции (4) одна молекула кислоты H₃PO₄ реагирует с тремя молекулами КОН, но одной молекуле H₃PO₄ соответствует три эквивалента, три условные частицы H₃PO₄, а трем молекулам КОН соответствуют три эквивалента основания КОН и, следовательно, в реакцию вступают равные количества эквивалентов реагентов: H₃PO₄) = n ( КОН).