Вопросы современной неорганической химии




Скачать 131.82 Kb.
Дата13.08.2016
Размер131.82 Kb.
ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

ЭКВИВАЛЕНТ

КОЧКАРОВ Ж.А.

Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Нальчик

chemest2@rambler.ru

Закон эквивалентов - один из основных законов стехиометрии. Согласно ему вещества реагируют друг с другом в эквивалентных соотношения, т.е. один моль эквивалентов одного вещества реагирует с одним молем эквивалентов другого вещества.

Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента (г/моль), или эквивалентной массой. Молярную массу эквивалента вещества х обозначают так:

М(Э(х)) = (1/z). М(х),

где z- эквивалентное число, которое показывает, сколько эквивалентов вещества х содержится в одной формульной единице этого вещества.

Таким образом, молярная масса эквивалента вещества всегда в z раз меньше молярной массы этого вещества.

В учебниках понятие «эквивалент» определяется следующим образом:

Масса элемента, которая соединяется с одной массовой частью (м. ч.) водорода или с восемью массовыми частями кислорода, или замещает эти массы водорода или кислорода в соединениях, называется химическим эквивалентом элемента (Э).

Например, в Н2О с одной м. ч. водорода соединяются восемь м. ч. кисло-рода (1 : 8), значит, химический эквивалент кислорода равен восьми (Э(О) = 8); в хлороводороде НС1 с 1 м. ч. водорода соединяется 35,5 м. ч. хлора, значит Э(Cl) = 35,5; в сероводороде H2S с 1 м. ч. водорода соединяется 16 м. ч. - серы, значит Э(S) = 16. Химический эквивалент водорода равен 1.

Эквивалент элемента может иметь разные значения, если этот элемент образует с другим элементом несколько соединений. Например, углерод и кислород образуют два соединения СО и СО2, в которых отношение масс элементов составляет 6 : 8 и 3 : 8 соответственно. Следовательно, эквивалент углерода в СО равен 6, а в СО2 - 3.

Между относительной атомной массой (Ar), валентностью (W) и эквивалентом данного элемента (Э) существует такая взаимосвязь:



Э = Ar / W (1)

Однако использование в выражении (1) валентности (W) не совсем корректно. Покажем это на конкретных примерах.

В монооксиде углерода СО существует тройная связь, что и определяет его валентность, равной трем (III):

+2 -2

С ≡ О


Ш Ш

Если теперь учесть, что электронная плотность связи смешена к более электроотрицательной атомной частице кислорода, то можно определить, что степень окисления последнего составляет (-2), а атомной частицы углерода – (+2). В этом соединении на 8 м.ч. кислорода приходится 6 м.ч углерода, следовательно, эквивалент углерода составляет 6. Однако из выражения (1) получим другое значение 12 : 3 = 4, что неправильно.

В диоксиде азота NO2 валентность атомной частицы азота составляет (Ш), а степень окисления – ( +4): +4

-2 N -2

О ш О
В этом соединении (стрелка указывает на донорно-акцепторный механизм образования связи) на 8 м.ч. кислорода приходится 3,5 м.ч азота, следовательно, эквивалент азота составляет 3,5. Однако из выражения (1) получим другое значение эквивалента: 14:3 = 4,67, что неправильно.

В пентаоксиде азота N2O5 валентность атомной частицы азота составляет (IV), а степень окисления – ( +5):



О +5 +5 О

N ─ О ─ N

О IV IV О



В этом соединении (стрелка указывает на донорно-акцепторный механизм образования связи) на 8 м.ч. кислорода приходится 2,8 м.ч азота, следовательно, эквивалент азота составляет 2,8. Однако из выражения (1) получаем другое значение эквивалента: 14:4 = 3,5, что неправильно.

Мы привели несколько примеров, в которых в соединениях значение степени окисления не совпадает со значением валентности.

Попробуем теперь заменить в выражении (1) валентность (W) на абсолютное значение степени окисления (Х):

Э = Ar / Х (2)

Тогда для СО получим:

Э(С) = 12 г/моль : 2 = 6 г/моль

Аналогично в NO2 эквивалент азота равен:

Э(N) = 14 г/моль : 4 = 3,5 г/моль

А в N2O5 эквивалент азота составит:

Э(N) = 14 г/моль : 5 = 2,8 г/моль

Таким образом, эквивалентное число (z) атомной частицы равно не валентности, а степени окисления ее в данном соединении.

Аналогично справедливо определение: Эквивалентное число (z) оксида в реакции обмена равно произведению числа молей атомных частиц на его степень окисления в оксиде.

Отсюда следует, что молярная масса эквивалента вышеназванных оксидов составляет:

М(Э(СО)) = 28 г/моль : 2 = 14 г/моль

Отсюда, в подтверждение справедливости наших утверждений, получим:

М(Э(С)) = 14-8 = 6 г/моль

Аналогично получим значение эквивалента для других оксидов:

M(Э(NO2)) = 46 : 4 = 11,5 г/моль

M(Э(N)) = 11,5 г/моль – 8 г/моль = 3,5 г/моль

M(Э(N2O5)) = 108 : 10 = 10,8 г/моль N2O5

M(Э(N)) = 10,8 г/моль – 8 г/моль = 2,8 г/моль

Что соответствуют результатам, полученным с помощью выражения (2).

Молярная масса эквивалента оксида азота (I) N2O, если принять степень окисления атомных частиц азота равной +1, равна

M(Э(N2O)) = 44 : 2 = 22 г/моль

Тогда получим: M(Э(N)) = 22 г/моль – 8 г/моль = 14 г/моль

То же самое можно получить с помощью выражения (2):

M(Э(N)) = 14:1 = 14 г/моль



Действительно, в N2O на 8 м.ч. кислорода приходится 14 м.ч. азота.

В сульфиде FeS2



-1

+2 S II

Fe -1


II S II

ковалентность атомных частиц серы равна двум (II), а степень окисления (-1). Тогда из (2) получим

M(Э(Fe)) = 56 : 2 = 28 г/моль; M(Э(S)) = 32 : 1 = 32 г/моль

Действительно, в FeS2 на 28 м.ч. железа приходится 32 м.ч. серы.



Молярная масса эквивалента кислоты, эквивалентное число (z) и фактор эквивалентности (f) в реакциях нейтрализации. Запишем молекулярное уравнение реакции относительно одного моль ионов водорода или одного моль NaОН и мы увидим эквивалентное число и фактор эквивалентности:

1/2H2SO4 + NaОН = 1/2Na2SO4 + H2O,

М(Э(H2SO4) )= 1/2H2SO4, М(Э(NaОН)) = NaОН, М(Э(Na2SO4)) = 1/2Na2SO4.

Учащиеся могут определить эквиваленты фосфорной кислоты в реакциях нейтрализации:

1) H3РO4 + NaОН = NaН2РO4 + H2O



z =1, fэкв =1 z =1, fэкв =1 z =1, fэкв =1 z =1, fэкв =1

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(Э(H3РO4)) = H3РO4, М(Э(NaОН))= NaОН, М(Э(NaН2РO4)) = NaН2РO4.

2) H3РO4 + 2NaОН = Na2НРO4 + 2H2O,

в расчете на 1 моль NaОН получим:

1/2H3РO4 + NaОН = 1/2Na2НРO4 + H2O

z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(Э(H3РO4)) = 1/2H3РO4, М(Э(NaОН)) = NaОН, М(Э(Na2НРO4)) = 1/2Na2НРO4

3) H3РO4 + 3NaОН = Na3РO4 + 3H2O,

в расчете на 1 моль NaОН получим:

1/3H3РO4 + NaОН = 1/3Na3РO4 + H2O

z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(Э(H3РO4)) = 1/3H3РO4, М(Э(NaОН)) = NaОН, М(Э(Na3РO4)) = 1/3Na3РO4

Таким образом, для кислот эквивалентное число z равно числу моль ионов водорода, замещаемых в реакции.

Молярная масса эквивалента основания в реакции обмена:

1) Fe(ОН)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O

Запишем эту реакцию на 1 моль HCl и мы увидим фактор эквивалентности:

1/3Fe(ОН)3 + HCl = 1/3FeCl3 + H2O

z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

2) Fe(ОН)3 + HCl = Fe(ОН)2Cl + H2O

z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

3) Fe(ОН)3 + 2HCl = Fe(ОН)Cl2 + 2H2O,

1/2Fe(ОН)3 + HCl = 1/2Fe(ОН)Cl2 + H2O

z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

Таким образом, для оснований эквивалентное число z равно числу моль гидроксид-ионов, замещаемых в реакции обмена.



Молярная масса эквивалента соли:

1) FeCl3 + 3AgNO3 = 3AgCl + Fe(NO3)3 ,

на 1 моль AgNO3 получим

1/3FeCl3 + AgNO3 = AgCl + 1/3Fe(NO3)3



z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(Э(FeCl3)) = 1/3 FeCl3, М(Э(AgNO3)) = AgNO3.

2) FeCl3 + NaОН = Fe(ОН)Cl2 + NaCl, М(Э(FeCl3)) = FeCl3

3) 1/2FeCl3 + NaОН = 1/2Fe(ОН)2Cl + NaCl, М(Э(FeCl3)) = 1/2FeCl3

4) 1/3FeCl3 + NaОН = 1/3Fe(ОН)3 + NaCl, М(Э(FeCl3)) = 1/3FeCl3

Таким образом, для соли эквивалентное число z равно произведению количества замещаемых ионов металла на заряд катиона или произведению количества замещаемых анионов кислотных остатков на их заряд.

На практике химики оперируют количеством вещества (моль) и массами веществ(г). Один моль эквивалентов содержит 6,02.1023 эквивалентов. Количество вещества эквивалентов (ν(1/zХ), моль) пропорционально числу эквивалентов (N(1/zХ)):

ν(1/z Х) = N(1/z Х) / NA



Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента (г/моль), или эквивалентной массой. Молярная масса эквивалента вещества Х обозначают так: М(Э(Х)) = М(1/z Х). Таким образом, молярная масса эквивалента вещества всегда в z раз меньше молярной массы этого вещества:

М(Э(Х)) = М(1/z Х) = М(Х) / z

Для рассмотренных выше реакций молярные массы эквивалентов будут соответственно равны:

М(Э(H2SO4)) =М(1/2H2SO4) = М(H2SO4)/2 =98/2 = 49г/моль, М(Э(NaОН)) = М(NaОН) = 40г/моль, М(Э(Na2SO4)) = М(1/2Na2SO4) = М(Na2SO4)/2 = 142/2 = 71г/моль, М(Э(FeCl3) = М(1/3FeCl3) = М(FeCl3)/3 = 162,5/3 = 54,17г/моль.

Объем одного моля эквивалентов газообразного вещества называют эквивалентным объемом или молярным объемом эквивалента (V(1/z Х), л/моль, м3/моль):

ν(1/z Х) = V(Х) / V(1/z Х)

или V(1/z Х) = V(Х) / ν(1/z Х)

Молярный объем (Vm) и эквивалентный объем (V(1/z Х)) связаны соотношением



V(1/z Х) = Vm / z

Эквивалентное число в окислительно-восстановительных реакциях определяется числом переносимых от одной формульной единицы восстановителя к одной формульной единице окислителя электронов:

3Cu + 2HNО3 + 6HNО3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O,

-полуреакция восстановления:

3- + 4H+ + 3ē = NO + 2H2O

-молярная масса эквивалента окислителя HNО3:

Э(NО3-) = 1/3 NО3- ; M(Э(NО3-)) = 1/3 M(NО3-) ; M(Э(HNО3)) = 1/3 M(HNО3)

-молярная масса эквивалента восстановителя:

Cu - 2ē = Cu2+ , M(Э(Cu )) = 1/2 M(Cu)

В реакции восстановления водорода 2Н+ +2е = Н2 или на одну формульную единицу ионов водорода (на 1 моль ионов водорода) получим Н+ +1е = ½ Н2. Тогда молярная масса эквивалента окислителя составляет: М(Э(Н+)) = Н+, z =1 (число электронов, присоединенных одной формульной единицей), fэкв = 1/1 =1 (доля частицы, которая эквивалентна одному электрону).

Аналогично найдем: М(Э(Н2)) = 1/2Н2, z =2 (число присоединенных одной формульной единицей электронов), fэкв = 1/2 (доля частицы, которая эквивалентна одному электрону). Поэтому 1 моль эквивалентов водорода при н.у. занимает объем:

Vm (Э(Н2)) = 22,4 : 2 = 11,2 (л/моль)

Для реакции О2 + 4е = 2О2- получим: М(Э(О2) ) = ¼ О2, z = 4 (число присоединенных одной формульной единицей электронов), fэкв = 1/4 (доля частицы, которая эквивалентна одному электрону). Поэтому 1 моль эквивалентов кислорода при н.у. занимает объем:

Vm (Э(О2)) = 22,4 : 4 = 5,6 (л/моль)

И так, для любого газообразного вещества Х при н.у. можно записать:

Vm (Э(Х)) = Vm (1/z) = Vm (Х)/z

Рассмотрим примеры:

1) SO2 + NO2 = SO3 + NO

SO20 + О-2 -2е = SO30 1

NO20 +2е = NO0 + О-2 1

Э(SO2) = ½ SO2 (z =2, fэкв = ½), М(1/2 SO2) = 64 г/моль : 2 = 32 г/моль,

Э(NO2) = ½ NO2 (z =2, fэкв = ½), М(1/2 NO2) = 46 г/моль : 2 = 23 г/моль,

2) SO2 + 2H2S = 2S + 2H2O



SO20 +4е = S0 + 2О-2 1

H2S0 -2е = S0 + 2H+ 2

Э(SO2) = 1/4SO2 (z =4, fэкв = 1/4), М(1/4 SO2) = 64 г/моль : 4 = 16 г/моль,

Э(H2S) = 1/2H2S (z =2, fэкв = 1/2), М(1/2 H2S ) = 34 г/моль : 2 = 17 г/моль,

3) 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2



Na0 -1е = Na+1 1

H2O0 +1е = 1/2H20 + ОН- 1

Э(Na) = Na (z =, fэкв = 1), М(Э(Na)) = 23 г/моль : 1 = 23 г/моль,

Э(H2O) = H2O (z = 1, fэкв = 1), М(Э(H2O)) = 18 г/моль : 1 = 18 г/моль,

Эквивалентное число атомной частицы равно степени окисления (но не валентности) его в данном соединении, например, в СаО: z= 2 (степень окисления Са = +2), fэкв = ½.

Эквивалентное число оксида в реакции обмена равно произведению числа молей атомных частиц на его степень окисления (но не валентности) в оксиде.

Например, для реакций обмена:

1) СаО + 2НСl = CaCl2 + H2O или для 1 моль НСl запишем

1/2 СаО + НСl = 1/2CaCl2 + 1/2H2O



z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2 z=2, fэкв =1/2

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(1/2 СаО) = 56 г/моль : 2 = 28 г/моль, М(НСl) = 36,5 г/моль : 1 = 36,5 г/моль, М(1/2 CaCl2) = 111 г/моль : 2 = 55,5 г/моль, М(1/2 H2O) =

18 г/моль : 2 = 9 г/моль, М(1/2 Са+2) = 40 г/моль : 2 = 20 г/моль.

2) Fe2O3 + 6НСl = 2FeCl3 + 3H2O,

1/6Fe2O3 + НСl = 1/3FeCl3 + 1/2H2O,

z=6, fэкв =1/6 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=2, fэкв =1/2

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

М(1/6 Fe2O3) = 160 г/моль : 6 = 26,67 г/моль, М(НСl) =36,5 г/моль : 1 =

36,5 г/моль, М(1/3 FeCl3) = 162,5 г/моль : 3 = 54,17 г/моль, М(1/2 H2O) =

18 г/моль : 2 = 9 г/моль, М(1/6 Fe +3) = 56 г/моль : 6 = 9,33 г/моль.

3) SO2 + NaOH = NaHSO3

z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1, М(SO2) = 64 г/моль

4) 1/2SO2 + NaOH = 1/2Na2SO3 + 1/2H2O,

z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2, М(SO2) = 64 г/моль : 2 = 32 г/моль

5) Na2О + H2O = 2NaOH или 1/2Na2О + 1/2H2O = NaOH



z=2, fэкв =1/2 z =2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1

Э(Na2О)= 1/2Na2О, М(1/2Na2О) = 62 г/моль : 2 = 31 г/моль



6) ВаО + 2НСl = ВаСl2 + H2O или

1/2ВаО + НСl = 1/2ВаСl2 + 1/2H2O



z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1

М(1/2ВаО) = 153 г/ моль : 2 = 76,5 г/моль,

М(1/2Ва2+) = 137 г/ моль : 2 = 68,5 г/моль,

М(1/2О-2) = 16 г/ моль : 2 = 8 г/моль,

М(1/2Ва2+) + М(1/2О-2) = М(1/2ВаО), 68,5 г/моль + 8 г/моль =76,5 г/моль.

В конце XVIII в. немецкий ученый Рихтер открыл один из основных законов стехиометрии закон эквивалентов:



Массы веществ, которые вступают в реакцию и образуются в результате реакции, пропорциональны их эквивалентам (моль эквивалентов одного вещества реагирует с молем эквивалентов другого):

т1 / m2 = Э1 / Э2,

где т1 и m2 - массы веществ; Э1 и Э2 - эквиваленты этих веществ.

В химических реакциях эквивалент одного вещества взаимодействует с эквивалентом другого, при этом образуется по одному эквиваленту каждого продукта, например:

Fe2(SO4)3 + 6NaOH = 2Fe(OH)3 + 3Na2SO4

или на 1 моль NaOH: 1/6Fe2(SO4)3 + NaOH = 1/3Fe(OH)3 + 1/2Na2SO4

z=6, fэкв =1/6 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=2, fэкв =1/2

1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент

Отсюда следует: ν (1/6Fe2(SO4)3 ) = ν (NaOH) = ν (1/3Fe(OН)3)= ν (1/2Na2SO4) или можно записать: m (Fe2(SO4)3)/М(Fe2(SO4)3)= m(NaOH)/ М (NaOH)= m(Fe(OН)3)/ М(1/3Fe(OН)3) = m (Na2SO4) / М(1/2Na2SO4).

В общем виде получим математическое выражение закона эквивалентов:

т1 / М(1/z Х1)= m2 / М(1/z Х2)

Для газообразных веществ можно записать:



V1 / V(1/z Х1)= V2 / V(1/z Х2)

В таблице значения M(Э(х)), рассчитанные исходя из соответствующих реакций Х + ½ О и Х + Н, сопоставлены с данными, полученными с помощью выражения (2).

Таблица. Определение молярной массы эквивалента элемента

Реакция Х + ½ О, на ½ моль атома кислорода

Эквивалент элемента, моль (фактор экви-валентности, f = 1/z)

M(Э(х)), г/моль

(по реакции)



M(Э(х)), г/моль

(по формуле (2))



½ С + ½ О = ½ СО

1/2

12/2

12/2

¼ С + ½ О = ¼ СО2

1/4

12/4

12/4

¼ N + ½ О = ¼ NO2

1/4

14/4

14/4

1/5 N + ½ О = 1/10N2O5

1/5

14/5

14/5

N + ½ О = ½ N2O

1

14

14

1/3 N + ½ О = 1/6N2O3

1/3

14/3

14/3

Реакция Х + Н, на 1 моль атома водорода

Эквивалент элемента, моль (фактор экви-валентности, f = 1/z)

M(Э(х)), г/моль

(по реакции)



M(Э(х)), г/моль

(по формуле (2))



О + Н = ½ Н2О2

1

16

16

½ О + Н = ½ Н2О

1/2

8

8

1/3 N + H = 1/3 NH3

1/3

14/3

14/3

3N + H = N3H

3

14 . 3

14 . 3


Таким образом, очевидно, что при определении эквивалента химического элемента необходимо использовать значение его степени окисления, а не валентности в данном соединении.



База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница