Лабораторная работа №2. &quot

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
«Химический эквивалент»
I. Разделы теоретического курса для повторения.
Абсолютная и относительная атомные массы.
Абсолютная и относительная молекулярные массы. Моль.
Молярная масса. Качественный и количественный состав
вещества.
Закон
сохранения
массы
вещества.
Закон
постоянства состава. Закон простых объемных
отношений. Закон Авогадро и следствия из него.
Молярный объем газообразных веществ. Относительная
плотность газов.
Определение молекулярной массы газообразных
веществ по относительной плотности. Химический
эквивалент простых и сложных веществ. Фактор
эквивалентности.
Молярная
масса
эквивалента
(эквивалентная масса). Молярный объем эквивалента
(эквивалентный объем). Закон эквивалентов.
II.
Теоретическая часть.
Химическим эквивалентом элемента называется
реальная или условная частица, которая может
присоединять, замещать, высвобождать или каким – либо
другим образом быть равноценна одному атому (иону)
водорода в ионообменных реакциях или одному электрону в
окислительно-восстановительных реакциях.
Исходя из определения, эквивалент для водорода равен 1
атому:
Э (Н) = 1 атом водорода.
Все, что соединяется, замещает или иным образом
соответствует 1 атому водорода, будет эквивалентом другого
вещества.
Так, в соединениях: НСl, Н2О, NН3 и СН4, эквивалент
хлора будет равен 1 атому, кислорода - 1/2 атома, азота - 1/3
атома и углерода соответственно - 1/4 атома.
Э (Сl) = 1 атом хлора
Э (О) = 1 атом кислорода
Э (N) = 1 атом азота
Э (С) = 1 атом углерода
Три последние частицы являются не реальными, а условными.
Эквивалент элемента в соединении легко рассчитать по
формуле:
1
Ээлемента =
B
где Ээлемента - эквивалент элемента;
В - валентность элемента в соединении.
Количество эквивалентов вещества, выражается в молях.
Масса 1 моль эквивалентов вещества называется
молярной массой его эквивалента.
Размерность молярной массы эквивалента - [г/моль].
Молярную массу эквивалента элемента можно рассчитать
по формуле:
M
M экв. =
B
где,
M экв. - молярная масса эквивалента элемента;
М - молярная масса элемента;
В - валентность элемента в соединении.
Так, в приведенных выше примерах (НСl, Н2О, NН3 СН4),
молярные массы эквивалентов хлора, кислорода, азота и
углерода соответственно равны.
Мэкв. (Cl) = 35,5/1 = 35,5 г/моль,
Мэкв. (O) = 16/2 = 8 г/моль,
Мэкв. (N) = 14/3 = 4,66 г/моль,
Мэкв. (C) = 12/4 = 3 г/моль.
Понятия об эквивалентах и молярных массах эквивалентов
распространяются также на сложные вещества.
Эквивалентом
сложного
вещества
называется
реальная или условная частица этого вещества, которая
взаимодействует без остатка с одним эквивалентом
водорода или с одним эквивалентом любого другого вещества.
Для определения эквивалентов (Э) и молярных масс
эквивалентов (Мэкв.) простых и сложных веществ удобно
использовать понятие фактор эквивалентности ( f ).
Фактором эквивалентности для вещества называется
число, показывающее какая доля частицы (атома, молекулы)
этого вещества равноценна одному иону водорода H+ в
реакциях обмена или одному электрону в окислительновосстановительных реакциях.
Эквивалент любого вещества можно рассчитать по
формуле:
Э = 1 ∙ fвещества.
Значение молярной массы эквивалента вещества можно
рассчитать по формуле:
Мэкв = Мвещества. ∙ fвещества.
В свою очередь фактор эквивалентности может быть
найден:
 для элемента
1
fэлем. = валентность элемента
 для кислоты
1
fкислоты = основность кислоты
 для основания
1
fоснования = кислотность основания
 для соли (средней)
1
fсоли = число атомов металла  валентность металла
Например, эквивалент элемента алюминия определяется
по формуле:
Э (Аl) = 1 ∙ fэлем. = 1 ∙ 1 / В = 1 ∙ 1 / 3 = 1/3 атома
В свою очередь, значение молярной массы эквивалента
для алюминия будет равно:
Мэкв (Аl) = М (1/3 Аl) = М ∙ fэлем. = М ∙ 1 / В = 27 ∙ 1 / 3 = 9 г/моль
Эквивалент
и молярная масса эквивалента соли –
сульфата алюминия будут соответственно равны:
Э [Аl2(SO4)3] = 1 ∙ fсоли = 1 ∙ 1 /n ∙ В = 1 ∙ 1 /2 ∙ 3 = 1/6 молекулы
В свою очередь, значение молярной массы эквивалента
для сульфата алюминия будет равно:
Мэкв [Аl2(SO4)3] = М [1/6 Аl2(SO4)3] = М ∙ fсоли= М ∙ 1 /n ∙ В =
342 ∙ 1 / 6 = 57 г/моль
Таким образом, эквиваленты и молярные массы
эквивалентов простых и сложных веществ можно рассчитать по
формулам, приведенным ниже.
Как видно из приведенных формул, молярная масса
эквивалента как элемента, так и сложного вещества не всегда
является постоянной величиной.
Эквивалент и молярная масса эквивалента элемента
зависят от валентности, которую проявляет элемент в
соединении.
Эквивалент и молярная масса эквивалента сложного
вещества определяются конкретной реакцией, в которой
участвует данное вещество.
Например, в реакции с образования гидросульфата натрия
серная кислота нейтрализуется не полностью:
Н2SО4 + NаОН = NаНSO4 + Н2О.
В этой реакции потенциально двухосновная серная кислота
проявляет основность, равную 1, значит фактор эквивалентности
этой кислоты в данной реакции равен 1. Значение эквивалента
кислоты в данной реакции:
Э (H2SO4) =1∙ f = 1/основность = 1 молекула
Значение молярной массы эквивалента серной кислоты в
данной реакции:
Мэкв. (H2SO4) =M∙ f = M ∙ 1/основность = 98 ∙ 1 = 98 г/моль,
Эквивалент и молярная масса эквивалента простых
и сложных вешеств.
Элемент,
или сложное
вещество
Эквивалент,
Э
Молярная масса эквивалента
(М экв.) [г/моль]
Элемент
Например,
Са
Э элемента = 1∙ f
=
1 ∙ 1/В
М экв.=M ∙ f =M ∙ 1/В
М (½Ca). = 40 ∙ 1/2 =
= 20 г/моль
Э (Ca) = 1/2
Кислота
Например,
H2S
Основание
Например,
Са(OH)2
Соль
Например,
Al2S3
Э кислоты = 1∙ f
= 1 ∙ 1/основность
М экв.=M ∙ f =
M ∙ 1 /основность
Э (H2S) = 1∙ f =
1 ∙ 1/основность =
1/2
М (½Н2S)=34 ∙ 1/2 =
17 г/моль
Э основания = 1∙ f
=
1 ∙ 1/кислотность
М экв.=M ∙ f =
M ∙ 1/кислотность
Э [Ca(OH)2] = 1/2
М [½Ca(OH)2] =
74 ∙ 1/ 2 = 37 г/моль
Э соли = 1 ∙ f =
1 ∙ 1/ n ∙ В
М экв.=M ∙ f =
M ∙ 1/ n ∙ В
Э [Al2S3] = 1/2 ∙ 3
= 1/6
М (1/6 Al2S3) =
150 ∙ 1/6 = 25 г/моль
Для газообразных веществ удобно пользоваться понятием
молярный объем эквивалента (Vэкв), который представляет
собой объем одного моль эквивалентов газообразного
вещества при нормальных условиях.
Так, 1 моль эквивалентов водорода (один моль атомов Н)
имеет массу 1 г. Используя следствие из закона Авогадро,
нетрудно рассчитать объем, занимаемый одним эквивалентом
водорода.
1 моль молекул Н2 имеет массу 2 г и занимает объем - 22,4
л, а объем, занимаемый одним эквивалентом водорода (одним
моль атомов элемента водорода), который имеет массу 1 г,
найдем из пропорции:
2 г Н2 →
22,4 л
1 г Н2 →
х л
x = 11,2 л,
т. е. Vэкв (H) =11,2 л/моль
Аналогично можно рассчитать молярный
эквивалента для кислорода, который будет равен:
объем
Vэкв (½O) = 5,6 л/моль
Введение в химию понятия "эквивалент" позволило
сформулировать закон, называемый законом эквивалентов (И.
Рихтер.)
Массы реагирующих друг
с другом
веществ
пропорциональны молярным массам их эквивалентов.
Закон эквивалентов можно записать в следующем виде:
m1
m2

M 'экв .
1
М экв .
2
где:
m1 и m2 массы взаимодействующих веществ.
Мэкв.1 и Мэкв.2 - молярные массы эквивалентов.
Если вещества находятся в газообразном состоянии,
удобно пользоваться понятием "молярный объем эквивалента" и
следующей формулировкой закона эквивалентов:
Объемы реагирующих друг с другом веществ
пропорциональны молярным объемам их эквивалентов.
V1
V2

V' экв .
1
Vэкв .
2
где:
V1 и V2
- объемы реагирующих газообразных
веществ,
Vэкв1 и Vэкв2 - молярные объемы их эквивалентов.
III. Вопросы и упражнения.
1. Определите значение относительной молекулярной и
молярной массы следующих веществ: CuSO4; CO2;
K2Cr2O7.
2. Какое количество вещества в молях содержится в
оксиде железа (III) массой 320 г?
3. Рассчитайте значение массовой доли марганца в
оксиде марганца (IV).
4. Какую массу будет иметь кислород объемом 60 л
при нормальных условиях?
5. Относительная плотность некоторого газа по
водороду равна 35,5. Определите:
а) молярную массу газа;
б) относительную плотность по воздуху,
в) массу I л газа.
6. Найти эквивалент и молярную массу эквивалента
(эквивалентную массу) следующих веществ: CuCl2,
H3PO4, Ca(OH)2
7. Чему равен эквивалент, молярная масса эквивалента
и молярный объем эквивалента для следующих
элементов:
а) кислород б) водород в) хлор?
8. При взаимодействии щелочного металла массой 66,5
г с водой выделился водород объемом 5,6 л водорода
(н.у.). Какой это металл?
IV. Экспериментальная часть.
Определение значения молярной массы эквивалента
магния.
а) Подготовка опыта.
Для проведения опыта собирают прибор согласно рис.
1, где: А – круглая плоскодонная колба на 250 мл, Б –
круглая плоскодонная колба на 500 мл, В – химический
стакан на 300 мл, Г - сифон из стеклянной и каучуковой
трубок, Д - зажим на сифоне, Е - соединительная трубка.
рис. 1 Схема установки для определения эквивалента
металла
С помощью мерного цилиндра или химического
мерного стакана объемом 50 мл отмеряют раствор
разбавленной серной кислоты объемом, примерно, 20-25
мл и выливают в колбу А . Если кислота попала на
горловину колбы, то ее с внутренней стороны протирают
досуха листочком фильтровальной бумаги.
В большую колбу Б заполняют водопроводной водой
до плеч, вставляют в горловину пробку с отводными
трубками, заполняют весь сифон Г водой. Для этого
колбу держат над раковиной горизонтально и открывают
зажим Д. Когда вода, вытеснив из сифона весь воздух,
польется сплошной струей, зажим закрывают. При этом
наблюдают, чтобы зажим держал, т.е. вода из трубки
сифона не выливалась.
Измерительным цилиндром точно (по нижнему
мениску) отмеряют 50 мл водопроводной воды и
выливают ее в химический стакан В . Эта процедура
проводится для обеспечения устойчивости установки во
время опыта. Конец стеклянной трубки сифона Г
погружают в воду химического стакана В.
На весах взвешивают на листочке кальки или
восковки магний массой 100 мг (0,1 г) с точностью до
0,001 г., либо получают навеску магния известной массы
у лаборанта.
б) Проведение опыта
Колбу А с кислотой берут левой рукой и переходят в
горизонтальное положение, как указано на рис. 2.
Раствор кислоты
Навеска магния
рис. 2 Размещение навески магния в колбе с кислотой
Правой рукой берут листочек кальки или восковки с
навеской магния и осторожно ссыпают весь магний с
листочка на внутреннюю поверхность горловины колбы.
При этом следят, чтобы металл преждевременно не попал
в кислоту.
С той же предосторожностью в горловину колбы А
вставляют пробку с газоотводной трубкой Е. Пробку
следует вводить в горловину постепенно, слегка
поворачивая ее.
Колбу А с кислотой ставят на стол в вертикальном
положении, одновременно открывают зажим Д и
оставляют его открытым.
Магний, упав с горловины колбы А в кислоту,
реагирует с ней и вытесняет водород, который по
газоотводной трубке Е поступает в колбу Б, давит на
воду и вытесняет ее в химический стакан В. Какой объем
водорода выделится в колбе А, такой же объем воды
поступит из колбы Б в химический стакан В.
Когда весь магний полностью прореагирует с
кислотой (осмотрите внутренние стенки и горловину
колбы А - не прилипли ли к ним кусочки магния), нужно
уравнять давление внутри прибора с атмосферным
давлением. Для этого химический стакан В придвигают к
колбе Б, поднимают его так, чтобы вода в стакане и в
колбе были на одном уровне, и закрывают зажим Д.
Вынимают из стакана отводную трубку сифона Г и
измеряют мерным цилиндром объем всей воды в этом
стакане. Из полученного объема воды вычитают ранее
добавленные 50 мл и, таким образом, находят объем
вытесненного водорода при комнатных условиях. Опыт
следует проделать минимум два раза при условии, что
результаты опыта окажутся приемлемыми и будут
приняты преподавателем. По полученным значениям
объемов водорода вычисляют среднюю величину и
вычисляют значения молярной массы эквивалента
магния.
в) Расчетная часть
Для
вычисления
значения
молярной
массы
эквивалента (эквивалентной массы) необходимо объем
водорода, измеренный при условиях проведения
эксперимента, привести к нормальным условиям (00С и
760 мм. рт. ст.) по формуле:
V0 
( P  h)  Vэксп .  273
760 (273  t )
(1)
где,
V0 - объем газа при нормальных условиях, мл;
P - барометрическое давление воздуха, мм рт. ст.;
Vэксп. - объем водорода при комнатных условиях,
найденный опытным путем, мл;
t - температура помещения, С о;
h - давление насыщенного водяного пара при
соответствующей температуре опыта, мм. рт. ст. Эта
величина находится в табл. 1.
Таблица 1
Давление насыщенного водяного пара при различных
температурах.
h,
t, С мм.рт.
ст.
11
9,8
0
15
h,
мм.рт.
ст.
12,8
t, С
0
19
h,
мм.рт.
ст.
16,5
t, С
0
23
h,
мм.рт.
ст.
21,1
t, С
0
12
10,5
16
13,6
20
17,5
24
22,4
13
11,2
17
14,5
21
18,5
25
23,8
14
12
18
15,5
22
19,8
100
760
Поправка на парциальное давление водяных паров
вводится в уравнение на том основании, что газ
собирается в колбе над водой, и, следовательно, общее
давление в системе является суммой парциальных
давлений водорода и паров воды.
На основании закона эквивалентов, согласно которому
массы (объемы) реагирующих веществ пропорциональны
их эквивалентным массам (объемам), воспользуйтесь
соотношением:
m( Mg )
M ( 12 Mg )

(2) где:
V0 ( H 2 )
V'ЭКВ . ( H )
m (Mg) - масса магния, взятая для опыта, г;
V0 (H2) - объем выделившегося водорода,
приведенный к нормальным условиям, мл;
M (½Mg)- молярная масса эквивалента магния,
г/моль
Vэкв.(H)- молярный объем эквивалента водорода
(11200 мл/моль).
Найдите относительную ошибку, допущенную в
эксперименте,
принимая
теоретическое
значение
молярной массы эквивалента за 100% (молярная масса
эквивалента элемента равна отношению молярной массы
элемента к его валентности).
Относительная ошибка:
η =
М экв (теор.)  М экв . ( эксп.)
 100 %
М экв . (теор.)
(3)
Проведение опыта и его результаты необходимо
оформить в лабораторном журнале в следующем порядке:
 наименование работы,
 эскиз прибора,
 сущность экспериментального определения
молярной массы эквивалента активного металла,
 данные,
полученные
при
проведении
эксперимента,
 полная расчетная часть.