Семинар-погружение "Химический эквивалент"

Цель: познакомить учащихся с понятием "эквивалент" и его применением.

Задачи:

• Формировать навыки определения эквивалентной массы элемента, и сложного вещества (оксида, гидроксида (основания и кислоты), соли).
• Познакомить с формулировкой закона эквивалентов.
• Показать на отдельном примере преимущества использования закона эквивалентов для решения задачи на вывод формул вещества (определения элемента).
• Формировать навыки решения задач с применением понятия "эквивалент".
• Познакомить с понятием "нормальная концентрация" и его применением в аналитической химии.

Теоретический материал:

В 1801 - 1807 гг. был установлен второй основной закон химии - закон постоянства состава, заключающийся в том, что каждое химическое соединение имеет вполне определенный и постоянный состав, закон Пруста. Как следствие отсюда вытекает, что состав химического соединения не зависит от способа его получения. Лишь на основе этого закона открылась возможность устанавливать те весовые соотношения, в которых соединяются между собой различные химические элементы. Эти соотношения были изучены и систематизированы главным образом Дальтоном в течение нескольких лет, начиная с 1803 г. Им было введено в науку представление о соединительных весах элементов, впоследствии названных "эквивалентами".

Эквивалентом (Э) называется весовое количество элемента, соединяющееся с одной (точнее, 1,008) весовой частью водорода или замещающее ее в соединениях. Следовательно, состав всякого соединения может быть выражен целыми числами эквивалентов входящих в него элементов.

Нахождение численных значений эквивалентов не представляет трудностей, если известен процентный состав соединения данного элемента с другим, эквивалент которого уже установлен.

Эквивалентной массой (Эm) называется масса 1 эквивалента вещества.

Пример 1.

Вычислите эквивалентный вес кислорода, исходя из процентного состава воды: 11,2% водорода, 88,8% кислорода.

Если на 11,2 вес. ч. водорода приходится 88,8 вес. ч. кислорода, то на 1,008 вес. ч. водорода придется Э вес. ч. кислорода. Очевидно, что

Эm = 1,008*88,8: 11,2 = 8,0 и будет эквивалентным весом кислорода.

Пример 2.

Вычислите эквивалентный вес меди, исходя из процентного состава оксида: 79,9% меди и 20,1% кислорода.

Для вычисления эквивалента меди составляем пропорцию:

на 79,9 вес. ч. меди приходится 20,1 вес. ч. кислорода

на Э вес. ч. меди приходится 8,0 вес. ч. кислорода

Эm = 8,0*79,9 : 20,1 = 31,8 и будет эквивалентным весом меди.

Пример 3.

Определить эквивалент и эквивалентные массы элементов в соединениях HBr, H₂O, CH₄, NH₃.

В указанных соединениях с 1 молем атомов водорода соединяется 1 моль атомов брома, ? моля атомов кислорода, 1/3 моля атомов азота, ? моля атомов углерода. Следовательно, согласно определению, эквиваленты брома, кислорода, азота и углерода равны соответственно 1 молю, ? , 1/3, 1/4 моля (Э(Br)=1, Э(O)= ?, Э(N)= 1/3, Э(С)= 1/4).

Исходя из мольных масс атомов этих элементов, находим, что эквивалентные массы равны Эm(Br) = 79,9 г/моль, Эm(O) = 8 г/моль, Эm(N) = 4,67 г/моль, Эm(С) = 3 г/моль.

Эm (элемента) = М (элемента) / Валентность

Формулы для вычисления эквивалентных масс сложных веществ:

М (оксида)

Эm (оксида) = Число атомов элемента * Валентность элемента

М (кислоты) Основность кислоты - число протонов,

Эm (кислоты) = основность кислоты которое отдает молекула кислоты, реагируя с основанием.

М (основания) Кислотность основания - число протонов,

Эm (основания) = кислотность основания которое присоединяет молекула основания, реагируя с кислотой

М (соли)

Эm (соли) = Число атомов металла * Валентность металла, где М -молярная масса

Необходимо обратить внимание на то, что эквивалент и эквивалентная масса кислоты и основания зависят от конкретной реакции, в которую они вступают.

Так при взаимодействии серной кислоты и гидроксида натрия с образованием кислой соли серная кислота проявляется свойства одноосновной кислоты, следовательно, ее эквивалент равен 1, а Э_m (H₂SO₄) = M (H₂SO₄) = 98 г/моль.

А в случае образования средней соли, соответственно: эквивалент равен 1/2,
а Э_m (H₂SO₄) = M (H₂SO₄) /2 = 98/2 г/моль = 49 г/моль.

Важность понятия эквивалент для химии определяется тем, что элементы всегда соединяются между собой в определенных весовых количествах, соответствующих (пропорциональных) их эквивалентам (закон паев, позднее закон эквивалентов).

При решении задач более удобно пользоваться другой формулировкой:

Массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам).

m (X) m (Y)

Эm (X) Эm (Y)

 Многие элементы образуют по несколько соединений друг с другом, следовательно, эквивалент и эквивалентная масса - непостоянные величины.

Эквивалентным объемом называется объем, занимаемый при данных условиях 1 эквивалентом вещества.

Эквивалентный объем H₂, Cl₂, Br₂, I₂, F₂ равен Эv = 22,4 л/моль * 1/2 = 11,2 л/моль

Эквивалентный объем О₂ равен Эv = 22,4 л/моль * 1/4 = 5,6 л/моль

m (X) V (Y)

Эm (X) Эv (Y)

ПРИМЕНЕНИЕ ПОНЯТИЯ "ЭКВИВАЛЕНТ":

Решение задач на определение неизвестного вещества.

При сгорании 5,00 г металла образуется 9,44 г оксида металла. Определите металл.

1 способ:

5,00/А моль 0,13875 (моль)

2xMe + yO₂ = 2Me_xO_y

2x моль y моль 2 моль

Определим m(O₂) = m (Me_xO_y) - m (Me), m(O) = 9,44 г - 5,00 г = 4,44 г

Определим n(O₂) = m/M n(O₂), n(O₂) = 4,44/32 = 0,13875 (моль)

Обозначим M(Me) = А г/моль

Определим n (Me) = 5,00/А (моль)

Составим пропорцию:

5,00 моль ₌ 0,13875 моль

А *2x моль y моль

Выразим из нее А: А = 5,00y/(2х*0,13875) = 18у/х, где х и y - целые числа, индексы в формуле оксида.

Методом подбора будем определять возможные значения:

Таким образом, искомый металл алюминий.

Составим уравнение реакции: 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Ответ: Al

2 способ:

Методом подбора будем определять возможные значения:

M(Me) = Эm (Me) * валентность(Me)

Таким образом, искомый металл алюминий.

Составим уравнение реакции: 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Ответ: Al

Второй способ значительно проще.

Дополнительные задачи.

1. Одно и то же количество металла соединяется с 0,200 г кислорода и с 3,17 г одного из галогенов. Определите галоген.
2. Определите металл и эквивалентную массу серы, если 3,24 г металла образует 3,48 г оксида и 3,72 г сульфида.
3. 8,34 г металла окисляются 0,680 л кислорода (н.у.). Определите металл.
4. 1,00 г некоторого металла соединяется с 8,89 г брома и с 1,78 г серы. Определите эквивалентные массы брома и металла, если эквивалентная масса серы равна 16,0 г/моль.
5. Для растворения 16,8 г металла потребовалось 14,7 г серной кислоты. Определите металл и объем выделившегося водорода (н.у.).
6. На восстановление 1,80 г оксида металла израсходовано 883 мл водорода (н.у.). Вычислите эквивалентные массы оксида и металла.
7. Некоторое количество металла, эквивалентная масса которого равна 27,9 г/моль, вытесняет из кислоты 700 мл водорода (н.у.). Определите массу металла.
8. На нейтрализацию 2,45 г кислоты идет 2,00 г гидроксида натрия. Составьте уравнение реакции нейтрализации.
9. При взаимодействии 5,95 г некоторого вещества с 2,75 г хлороводорода получилось 4,40 г соли. Вычислите эквивалентные массы вещества и образовавшейся соли.

Теоретический материал:

В аналитической химии понятие эквивалент широко применяется в количественном анализе.

Молярная концентрация эквивалента Сэкв. - это отношение количества вещества эквивалентов (Э) к объему раствора, выраженному в литрах.

Сэкв. = Э / V . Иногда этот вид концентрации называется нормальностью и выражается в моль/л или н. Например, запись 1 н. H₂SO₄ означает, что в 1 л раствора содержится 1 эквивалент серной кислоты, то есть ? моль ее или 49 г.

Количественные отношения веществ в титриметрическом анализе основаны на законе эквивалентов: В химической реакции с n эквивалентами одного вещества всегда вступает во взаимодействие n эквивалентов второго и образуется n эквивалентов каждого из продуктов реакции.

Для иллюстрации приведем ряд химических реакций:

KOH + HCl = KCl + H₂O

1 экв. 1 экв. 1 экв. 1 экв.

2 KOH + H₂C₂О₄ = K₂C₂О₄ + 2 H₂O

2 экв. 2 экв. 2 экв. 2 экв.

3 KOH + H₃РО₄ = K₃РО₄ + 3 H₂O

3 экв. 3 экв. 3 экв. 3 экв.

6 Fe(OH)₃ + 3 H₂SО₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 6 H₂O

6 экв. 6 экв. 6 экв. 6 экв.

Задача: На нейтрализацию 0,2299 г кислоты израсходовано 0,1460 г гидроксида натрия. Определить кислоту.

Для расчетов удобно пользоваться формулой: Vк-ты* Сщ-чи = Vщ-чи * С к-ты

Проведение практического определения нормальной концентрации кислоты (щелочи): титрование - на следующем занятии.