Эквивалент. Закон эквивалентов

Эквивалент (Э) – это реальная ли условная частица вещества, которая может присоединять, замещать, высвобождать или быть каким-либо другим способом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

При определении эквивалента вещества необходимо исходить из конкретной реакции.

Например: Из уравнения реакции кислотно-основного характера .

Следует, что одному иону водорода соответствует одна молекула и одна , молекулы и молекулы , поэтому Э()= , Э()= (это реальные частицы); Э()= , Э()= (это условные частицы).

Из окислительно-восстановительной реакции

2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O

2|MnO₄^- + 8H⁺ + 5 → Mn²⁺ + 4H₂O - окислитель, реакция восстановления

5| SO₃^2- + H₂O + 2 → SO₄^2- + 2H⁺ - восстановитель, реакция окисления

Следует, что одному электрону соответствует 1/5 молекула KMnO₄ и ½ молекула Na₂SO₃, поэтому Э(окислителя) = 1/5, Э(восстановителя) = ½.

Аналогично, эквивалент в реакциях обмена и замещения равен моль веществу, деленный на количество замещенных частиц.

Таким образом, эквивалент вещества не является постоянной величиной, она зависит от реакции, в которой участвует данное вещество.

Моль эквивалентов – количество вещества, содержащего 6,022×10²³ эквивалентов. Масса одного моля эквивалентов вещества (элемента) называют молярной массой эквивалентов вещества (), г/моль.

Например: ;

Число, обозначающее какая доля от реальной частицы эквивалентно одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях, называют фактором эквивалентности (f_э).

Например: Врассмотренных примерах: f_э()=1; f_э()= ; f_э()= .

Закон эквивалентов (И.В. Рихтер, 1809 г)

Химические элементы или вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

(6)

где и - массы веществ, г., и - молярные массы эквивалентов веществ, г/моль, и - эквиваленты веществ, моль.

Если одно из веществ или оба вещества, вступивших или получившихся в результате реакции, находится в газообразном состоянии, закон эквивалентов принимает вид:

или (7)

где - масса твердого или жидкого вещества, г., - молярная масса эквивалента твердого (жидкого) вещества, г/моль, , - объем газообразного вещества (н.у.), л, , -молярный объем эквивалента газообразного вещества (н.у.), л/моль (дм³/моль).

Молярный объем эквивалента вещества () – это объем, занимаемый одним эквивалентом газообразного вещества при нормальных условиях.

Поскольку 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, то молярный объем эквивалента газообразного водорода будет равняться 11,2 л/моль, а кислорода – 5,6 л/моль.

Молярная масса эквивалентов элемента в соединении не является величиной постоянной. Она зависит от валентности элемента в данном соединении и выражается уравнением:

, (8)

где - молярная масса элемента, г/моль; - валентность элемента в данном соединении, f_{э –} фактор эквивалентности.

Молярные массы эквивалентов сложных веществ рассчитываются по следующим формулам:

, (9)

- молярная масса кислоты, - число атомов водорода вступивших в реакцию.

, (10)

- молярная масса основания, - число гидроксильных групп в основании, вступивших в реакцию.

, (11)

- молярная масса соли, - число атомов металла образующего соль; - валентность металла.

, (12)

- молярная масса оксида, - число атомов элемента образующего оксид, - валентность этого элемента.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется химическим эквивалентом?

2. Сформулируйте закон эквивалентов.

3. Как вычисляют эквиваленты элементов, оксидов, оснований, кислот, солей? Приведите примеры.

4. Определите эквивалент серы в соединениях: H₂S, SO₂, H₂SO₃, H₂SO₄.

5. Что такое моль эквивалентов и молярная масса эквивалентов?

6. Вычислите молярные массы эквивалента следующих веществ в реакциях обмена: KOH, H₂S, H₂SO₄, Ca(OH)₂, NH₄OH, CuSO₄. Составьте уравнения реакций.

7. Определите эквивалент двухвалентного металла, если 0,0977 г этого металла вытесняет 28 мл водорода при н.у.

8. При взаимодействии 0,5 г кальция с водородом образовалось 0,525 г гидрида кальция. Вычислите молярную массу эквивалента кальция и его эквивалент.

9. Вычислите молярную массу эквивалента металла, зная, что его хлорид содержит 79,78% хлора. Молярная масса эквивалента хлора равна 35,5 г/моль.

10. 0,304 г. Магния вытеснили 0,28 л водорода из соляной кислоты. Вычислите эквивалент магния и молярную массу его эквивалента.

1.3. Примеры решения задач

Пример 1. Распределите соединения по классам и определите характер, назовите их: , , ,

Решение. Представим результаты в виде таблицы (13).

Таблица 13

Соединение	Класс	Химический характер	Название
	оксид	основной	оксид кальция
	гидроксид	кислотный	азотистая кислота
	соль	средняя (нормальная)	хлорат калия
	гидроксид	амфотерный	гидроксид бериллия

Пример 2. Докажите химический характер и с помощью реакций.

Решение. – оксид кальция, основной оксид. Реагирует с кислотой и кислотными оксидами:

– гидроксид бериллия. Обладает как основными, так и кислотными свойствами:

Пример 3. Осуществите превращение: напишите уравнения реакций, укажите условия протекания процесса, дайте названия соединениям:

Решение.

Пример 4. Рассчитайте молярную массу эквивалентов серы в соединениях _.

Решение Расчет ведем по формуле (8):

а) SO₂ – оксид серы, валентность серы в данном соединении равна 4

М_Э(S) = 32/ 4 = 8 г/моль

б) H₂SO₄ – серная кислота, валентность серы в данном соединении равна 6

М_Э(S) = 32/ 6 = 5,33 г/моль

в) H₂S – сероводород, валентность серы в данном соединении равна 2

М_Э(S) = 32/ 2 = 16 г/моль

Пример 5. Рассчитайте молярные массы эквивалентов (М_э) следующих веществ

Решение. - гидроксид кальция, основание. Расчет ведем по формуле (10):

= 40 + 2·(16 + 2) = 76 г/моль

Так как в молекуле , имеются две гидроксидные группы (ОН), то в случае замещения в реакции одной из них n = 1 = 76/1= 76 г/моль, а двух, n = 2 ₎ = 76/ 2 = 38 г/моль

– серная кислота. Расчет ведем по формуле (9):

= 2 + 32 + 16·4 = 98 г/моль,

Так как в кислоте два атома водорода, то в случае замещения одного n = 1, =98/1 =98 г/моль, а двух n = 2, ₎ = 98/ 2 = 49 г/моль.

–нитрат магния, соль. Расчет ведем по формуле (11):

= 24 + 2·(14 + 16·3) = 148 г/моль; n = 1 (количество атомов металла), Z = 2 (валентность металла)

= 148/ 2 = 74 г/моль

– оксид алюминия. Расчет ведем по формуле (12):

= 27·2 + 16·3 = 102 г/моль; n = 2 (количество металла), Z = 3 (валентность металла)

= 102 / 6 = 17 г/моль

Пример 6. При сгорании металла образуется 9,43 г его оксида. Молярная масса эквивалента оксида металла равно 17 г/моль. Какая масса металла вступала в реакцию?

Решение. Учитывая, что , можно найти молярную массу эквивалентов металла: г/моль, по закону эквивалентов формула (4) найдем количество металла, вступившего в реакцию: m _{(металла)}= 9,43×9/ 17=4,99 г

Пример 7. На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 л водорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалентов оксида и молярную массу эквивалентов металла.

Решение. Молярная масса водорода равная 2 г/моль при н.у. занимает объем 22,4 л, то объем молярной массы эквивалентов водорода (1 г/моль) будет равен 22,4: 2 = 11,2 л

По закону эквивалентов формула (5):

= 7,09·11,2 / 2,24 = 35,45 г/моль

Согласно закону эквивалентов = - =35,45–8=27,45 г/моль.

Пример 8. Сколько металла, эквивалентная масса которого 12,16 г/моль, взаимодействует с 310 мл кислорода (н.у.)?

Решение. Молярная масса кислорода равная 32 г/моль при н.у. занимает объем 22,4 дм³, то объем молярной массы эквивалентов кислорода (8 г/моль) будет равен 22,4: 4 = 5,6 л = 5600 мл.

По закону эквивалентов формула (7): ; =

Отсюда = 310·12,16: 5600 = 0,673 г

Пример 9. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,6 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалентов металла.

Решение. Молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

;

Молярная масса эквивалентов иона (катиона, аниона) равна отношению молярной массе иона к величине заряда иона.

= 15 г/моль.

Пример 10. Определить при н.у. объем азота собранного над водой при 20 ⁰С и Р = 100 кПа. Р_{водяного пара} = 2,3 кПа, Объем азота равен 120 см³.

Решение. Р_азота = Р – Р_{водяного пара} = 100 – 2,3 = 97,7 кПа. По формуле (4) объем азота равен: .