МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.К.Камышова, И.Л.Волчкова

Химический эквивалент. Расчетные задачи

Методическое пособие по химии для студентов МЭИ всех направлений

Москва Издательство МЭИ 2010

УДК 54

К 189

Подготовлено на кафедре Химии и электрохимической энергетики

Рецензент: канд. хим.наук., доц. Е.Я.Удрис

Химический эквивалент. Расчетные задачи.

Методическое пособие / В.К.Камышова, И.Л.Волчкова

– М.: Издательство МЭИ, 2010г. – с.

Пособие содержит теоретический материал, примеры решения задач, контрольные задания для практических занятий, а также задачи для самостоятельного решения по теме «Химический эквивалент».

Предназначено для самостоятельной работы студентов МЭИ всех направлений, изучающих курс химии, а также для практических и контрольных занятий под руководством преподавателя.

© Московский энергетический институт 2010

ВВЕДЕНИЕ

К началу XIX века произошел резкий прорыв в изучении количественных методов исследования веществ, что привело к новому фундаментальному изменению в естествознании вообще и в химии в частности.

Резкий прорыв в изучении количественных методов исследования веществ в началу XIX века привел к новому фундаментальному изменению в естествознании вообще и в химии в частности.

После открытия Лавуазье закона сохранения массы последовал целый ряд новых количественных закономерностей – стехиометрических законов.

Первым стехиометрическим законом стал закон эквивалентов, который был сформулирован немецким химиком Иеремия Вениамин Рихтером в результате проведенных им в 1791-1798 г.г. опытов по изучению количеств веществ в реакциях нейтрализации и обмена, обобщенных в работе «Начальные основания стехиометрии или искусства измерения химических элементов». Первоначальная формулировка закона эквивалентов (термин «эквивалент» ввел в 1767 г. Г.Кевендиш) была следующей: «Если одно и то же количество какой либо кислоты нейтрализуется различными количествами двух оснований, то эти количества эквивалентны и нейтрализуются одинаковым количеством любой другой кислоты».

Открытый В.Рихтером закон подтвердил убеждения многих химиков в том, что химические соединения взаимодействуют не в произвольных, а в строго определенных количественных соотношениях.

1. Теоретическая часть

1. Понятие «химический эквивалент»

Химическим эквивалентом (Э(В)) (по рекомендациям ИЮПАК) называется условная или реальная частица, равная или в целое число раз меньшая соответствующей ей формульной единице^*:

В

______________________

* ранее под химическим эквивалентом понимали количество вещества, которое присоединяет или замещает 1 моль атомов водорода в ходе реакции. Однако это понятие относится не к самому эквиваленту, а к количеству вещества эквивалента.

где В – формульная единица вещества: реально существующая частица, такая как атом (Cu, Na, C), молекула (N₂, HCl, KOH, Al₂(SO₄)₃, CO₂), анионы (OH^-, SO₄^2-), катионы (Cu ²⁺, K⁺), радикалы (-NО₂, С₂Н₅-), условные молекулы кристаллических веществ и полимеров, любые другие частицы вещества;

- эквивалентное число, показывающее какое число эквивалентов вещества В условно содержится в данной формульной единице этого вещества;

= f_экв. - фактор эквивалентности.

Использование фактора эквивалентности как дробной величины менее удобно.

Эквивалентное число Z всегда больше или равно 1 и является безразмерной величиной; при Z=1 эквивалент соответствует формульной единице вещества.

Расчет эквивалентного числа различных формульных единиц представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Расчет эквивалентного числа Z вещества.

Частица	Эквивалентное число Z	Пример
Элемент	Z(Э) = W(Э), где W(Э) – валентность элемента	Z(S)H2SO4 = 6 Z(C)CO2 = 4
Простое вещество	Z(вещества) = n(Э)∙ W(Э), где n(Э) – число атомов элемента W(Э) – валентность элемента	Z(O2) = 2∙2=4 Z(Cl2) = 2∙1=2
Оксид	Z(Э2Ох) = n(Э)∙В(Э), где n(Э) – число атомов элемента W (Э) – валентность элемента	Z(Н2О) = 2∙1=2 Z(SО2) = 1∙4=4 Z(Al2О3) = 2∙3=6
Кислота	Z(кислоты) = n(Н+), где n(Н+) – число отданных в ходе реакции ионов водорода Н+ (основность кислоты)	Z(Н2SО4) = 1 – основность равна 1 Z(Н2SО4) = 2 – основность равна 2
Основание	Z(основания) = n(ОН-), где n(ОН-) – число отданных в ходе реакции гидроксид ионов ОН- (кислотность основания)	Z(Са(ОН)2 = 1 – кислотность равна 1 Z(Са(ОН)2) =2 – кислотность равна 2
Соль	Z(соли) = n(Ме)∙В(Ме) = n(А)∙В(А), где n(Ме), W(Ме) – число атомов металла и его валентность n(А), W(А) – число кислотных остатков и их валентность	Z(Na2SО4) = 2∙1=1∙2=2 Z(Al2(CO3)3) = 2∙3=3∙2=6
Частица в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР)	Z(частицы) = nе, где n е – число электронов, участвующих в процессе, на одну формульную единицу	SO42-+2H++2e →SO32-+H2O Z(SО42-)=2, Z(H+)=1 2Cl- - 2e→Cl2 Z(Cl-)=1, Z(Cl2)=2
ион	Z(иона) = n, где n – заряд иона	Z(SО42-) = 2

Величины эквивалентного числа, а, следовательно, и эквивалента зависят от химической реакции, в которой участвует данное вещество.

Например, в реакции нейтрализации фосфорной кислоты, эквивалентное число (эквивалент) кислоты меняется в зависимости от полноты протекания реакции. Для реакции H₃PO₄ + 3KOH → K₃PO₄ + 3H₂O эквивалентное число Z(H₃PO₄)= =n(Н⁺)=3, т.к. в реакции участвуют три иона водорода Н⁺ фосфорной кислоты, и эквивалентом H₃PO₄ будет являться условная частица 1/3H₃PO₄ Э(H₃PO₄)= 1/3H₃PO₄.

В реакции H₃PO₄ + KOH → KН₂PO₄ + H₂O замещается только один ион водорода Н⁺ и поэтому Z(H₃PO₄)=1, а эквивалентом кислоты является частица H₃PO₄: Э(H₃PO₄)= 1H₃PO₄).

Эквивалентное число (эквивалент) элемента также может меняться в зависимости от вида соединения, в состав которого он входит. Например, в оксиде Cr₂O₃ эквивалентное число хрома Z(Cr)=3 и, следовательно, эквивалентом хрома является условная частица 1/3Cr, а в хромовой кислоте Н₂CrО₃ эквивалентное число хрома Z(Cr)=6, а эквивалент Э(Cr)=1/6Cr.

В обменных реакциях эквивалентное число (эквивалент) определяется стехиометрией реакции. Например,

Cr₂(SO₄)₃ + 12KOH → 2K₃[Cr(OH)₆] + 3K₂SO₄

на одну формульную единицу Cr₂(SO₄)₃ затрачивается 12 формульных единиц КОН. Следовательно, эквивалентное число Z(Cr₂(SO₄)₃)=12, а Z(КОН)=1. Эквивалентом Cr₂(SO₄)₃ будет являться условная частица 1/12 Cr₂(SO₄)₃, а Э(КОН)=1КОН.

В общем случае для установления значений эквивалентных чисел Z(В) по уравнениям реакций обмена достаточно найти наименьшее общее кратное всех стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции и разделить каждый коэффициент на значение наименьшего общего кратного. В рассматриваемом выше уравнении наименьшее общее кратное равно 12:

1/12Cr₂(SO₄)₃ + KOH → 1/6K₃[Cr(OH)₆] + 1/4K₂SO₄

Для данной реакции эквивалентные числа равны: Z(Cr₂(SO₄)₃)=12, Z(КОН)=1, Z(K₃[Cr(OH)₆])=6, а Z(K₂SO₄)=4.

В окислительно-восстановительных реакциях эквивалентные числа окислителя и восстановителя определяются числом электронов, которое принимает одна формульная единица окислителя или отдает одна формульная единица восстановителя.

Для окислительно-восстановительной реакции

K ₂Cr₂O₇ + 14HCl = 2CrCl₃ + 3Cl₂ + 2KCl + 7H₂O

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e → 2Cr³⁺ + 7H₂O 6 1

2Cl^- - 2e → Cl₂ 3

Эквивалентные числа определяют по числу электронов, участвующих в соответствующих полуреакциях, в расчете на одну формульную единицу частиц Cr₂O₇^2-, Cr³⁺, Cl^-, Cl₂, то есть Z(Cr₂O₇^2-)=6, Z(Cr³⁺)=3, Z(Cl^-)=1, Z(Cl₂)=2. Соответственно эквивалентные числа веществ также будут равны: Z(К₂Cr₂O₇)=6, Z(Cr Cl₃)=3, Z(НCl)=1.