Эквивалент. Закон эквивалентов

Понятие эквивалентности реагирующих веществ в химических реакциях было и остается одним из основных понятий в химии. С введением новой физической величины - количества вещества изменилось прежнее содержание понятия "эквивалент". По рекомендации международного союза по чистой и прикладной химии (JUPAC) термин "эквивалент" сейчас имеет совершенно не тот смысл, к которому привыкли химики. В связи с введением новой основной единицы количества вещества, моль, которая относится к любым видам реальных (молекулы, ионы, электроны, протоны, радикалы и т.п.) или условных (1/5 молекул KMnO₄, 1/2 иона Ca²⁺ и т.п.) частиц, участвующих в химических реакциях.

Эквивалентом называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Подобный смысл вкладывается в термин "эквивалент" также в случае реакций ионного обмена и в электрохимических методах анализа. При использовании термина "эквивалент" всегда необходимо указывать, к какой конкретной реакции он относится. Поскольку по данному выше определению эквивалент является реальной или условной частицей, то единицей его количества также является моль.

Масса 1 моль эквивалентов называется "молярной массой эквивалента", например, масса одного моля 1/5 KMnO₄ составляет 31,6 г., что численно совпадает с прежним значением грамм-эквивалента KMnO₄ при окислительно-восстановительных реакциях в кислой среде.

Следует помнить, что в связи с введением в действие системы СИ, в которой основной единицей массы является килограмм, а основной единицей количества вещества - моль, использование таких единиц массы, как грамм-атом, грамм-моль, грамм-эквивалент, грамм-ион и соответствующих им единиц концентрации (например, грамм эквивалент/литр) не допускается!

“Моль - это количество вещества системы, которое содержит столько определенных условных частиц (структурных единиц), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопауглерода ¹²C.” Ими могут быть молекулы, ионы, электроны, другие частицы или определенные группы частиц.

Молярная масса M определяется как масса, отнесенная к количеству вещества. Основной единицей массы в системе СИ является кг/моль, а на практике г/моль. Следует учесть, что при правильном выражении молярной массы в соответствующих единицах (кг/моль), ее численное значение идентично относительной атомной массе A_r (раньше называлось атомным весом или атомной массой) или относительной молекулярной массе M_r (раньше называлось молекулярным весом или молекулярной массой).

Рассмотрим основной тип реакции:

n_aA + n_bB ® Продукты (1)

или в виде:

A + (n_В/n_А) B ® Продукты (2).

Отношение n_В/n_А обозначают символомf_экв(В) = n_В/n_А и называют фактором эквивалентностивещества В.

Фактор эквивалентности, который имеет вид дроби, равной или меньшей единицы, является безразмерной величиной, которая может быть рассчитана, если известна стехиометрия данной реакции.

Величину f_экв(X)X называют эквивалентом или эквивалентной формой существования аналитического реагента X. Эта величина не имеет такого определенного физического смысла, как количество вещества эквивалента, которое обозначают как n(f_экв(X)X), например,n(H₂SO₄), но если исходить из химической формулы веществ, то именно эта величина и является общей формой обозначения всех условных частиц.

Как известно, эквивалент вещества не всегда является неизменным и может меняться в зависимости от реакции, в которой это вещество участвует. Следовательно, всегда необходимо указывать соответствующую реакцию, исключая те случаи, когда вероятность ее двусмысленного толкования отсутствует.

Работа №11. Определение молярной массы эквивалента металла по водороду.

Необходимые принадлежности и реактивы. Прибор для определения эквивалентов металлов по водороду. Технохимические весы и разновес. Термометр. Барометр. Колба Вюрца на 50-100 мл. Сифон с зажимом. Плоскодонная колба на 500 мл и пробка к ней с двумя отверстиями. Соединительные резиновые шланги . Химический стакан на 400 мл.. 10 %-ный раствор серной или соляной кислоты. Навески металлов (Zn, Mg, Al ) с массой в пределах 0,2-0,3 г. Воронка с длинным концом, доходящим до дна колбы Вюрца. Металлический штатив с лапкой. Фильтровальная бумага. Водопроводная вода.
	Для определения эквивалента (молярной массы эквивалента) металла по вытесненному водороду пользуются реакцией взаимодействия металлов с разбавленными кислотами или щелочами. Зная массу взятого металла и объем вытесненного водорода, можно подсчитать молярную массу эквивалента металла. Опыт проводят на приборе рис.22.
Рис. 22. Прибор для определения эквивалентов металлов по водороду

Выполнение работы. Проверить герметичность прибора. Отвесить 0,2-0,3 г исследуемого металла (Zn, Мg, Аl) с точностью до 0,01 г. Написать уравнение реакции и вычислить, какой объем 10% соляной или серной кислоты необходим для полного растворения взятой массы металла. Для проведения опыта брать раствор реагента в избытке (50% по объему). В случае алюминия расчеты вести по 10% раствору щелочи. С помощью градуированной пипетки отмерить требуемое количество кислоты или щелочи с учетом избытка. С помощью воронки с длинным концом, не смачивая стенок горла колбы вылить кислоту в колбу Вюрца. Перенести навеску металла в горло колбы. Для этого навеску положить в маленький кусочек фильтровальной бумаги, свернув ее в виде тоненькой трубочки с закрученными краями. Затем, наклонив колбу Вюрца по возможности горизонтально, поместить навеску в горлышке колбы. Плотно закрыть горлышко колбы пробкой. Привести давление в приборе к атмосферному давлению. Для этого налить в стакан такое количество воды, чтобы при открытом зажиме поверхность воды в обоих сосудах была на одном уровне. Закрыть зажим и вылить воду из стакана.

Отмерить цилиндром точно 50 мл или 100 мл воды и вылить в стакан. При этом кончик сифона должен быть погружен в воду. (Почему это необходимо?) Затем открыть зажим и передвинуть его по соединительной трубке в сторону плоскодонной колбы с водой. Привести колбу Вюрца в вертикальное положение и стряхнуть бумажную трубочку с металлом в кислоту. Если металл плохо растворяется, то раствор слегка подогреть. После окончания реакции выждать, пока реакционная колба, примет комнатную температуру. Затем привести давление в приборе к атмосферному давлению. Измерить и записать объем воды, вытесненной из прибора водородом, температуру в комнате и атмосферное давление по барометру.

Вычислить объем вытесненного водорода при условиях опыта как разность объема воды в стакане до и после опыта. Привести объем водорода к н.у. Рассчитать молярную массу эквивалента исследуемого металла.

Для найденного значения молярной массы эквивалента металла вычислить величину ошибки определения в %. Сравнить полученное значение со справочными данными. Исходя из известной валентности и молярной массы эквивалента металла, найти атомную массу.