Занятие №2. Стехиометрия и титриметрический метод анализа. Способы выражения концентраций стандартных растворов. Приготовление титрованных растворов.

Цель работы: ознакомить студентов о с понятиями моль эквивалента, эквивалентное число вещества, фактор эквивалентности, законом эквивалентов, способами выражения концентраций растворов, применяемых в титриметрии, способами приготовления (стандартных) титрованных растворов.

Мерой количества вещества в современной химии является моль. Напомним, что моль – это такое количество вещества, которое содержит 6,02∙10²³ структурный единиц (атомов, молекул, электронов).

Мерой количества вещества, применяемого в титриметрическом методе анализа, является моль эквивалента.

Моль эквивалента вещества – количество вещества, равноценное молю атомного водорода в обменных реакциях или молю электронов в присоединенное к молю окислителя и отсоединенное от одного моля восстановителя в окислительно-восстановительных реакциях.

Число, показывающее, сколько моль эквивалентов условно содержится одной моле данного вещества или замещается, называют эквивалентным числом z.

Например, в реакции Са²⁺ + Н₂Y^2-=CaY^2-+ 2H⁺

Из уравнения видно, что моль ионов кальция замещает 2 моль катионов водорода. Эквивалентное число иона кальция в данной реакции равно двум.

Доля моля вещества равная одному молю атомного водорода или одному молю электронов, присоединенное к молю окислителя и отсоединенное от одного моля восстановителя в окислительно-восстановительных реакциях называется фактором эквивалентности f.

f=1/z

Приведем порядок вычисления эквивалентного числа вещества в обменных реакциях, а затем в окислительно-восстановительных реакциях.

1.1 Определение эквивалентного числа и фактора эквивалентности в реакциях обмена

1. Для оснований. Эквивалентное число z равно кислотности основания (числу гидроксогрупп) при полной нейтрализации основания. Рассмотрим реакцию полной нейтрализации гидроксида бария:

Ва(ОН)₂ + 2HCl =BaCl₂ + 2H2O

В этом случае две гидроксогруппы замещаются полностью, следовательно эквивалентное число z для Ва(ОН)₂ равно двум, а фактор эквивалентности f=1/ z=1/2.

Однако основание не всегда подвергается нейтрализации полностью: Zn(OH)₂ + HCl = ZnOHCl +H₂O

В этом случае в одном моле гидроксида цинка замещается один моль гидроксогрупп. Поэтому эквивалентное число для гидроксида цинка z=1, а фактор эквивалентности f=1/z= 1/1=1

2. Для кислот. Если кислота подвергается полной нейтрализации, то эквивалентное число z для данного вещества равно «основности» кислоты. Например, эквивалентное число для ортофосфорной кислоты при ее полной нейтрализации (Н₃PO₄+3NaOH=Na₃PO₄ + 3H₂O)

равно трем, а фактор эквивалентности f равен f=1/z=1/3

Если протекает химическая реакция неполной нейтрализации фосфорной кислоты, то возможны другие значения эквивалентного числа z.

Н₃PO₄+2NaOH=Na₂HPO₄ + 2H₂O

Для данной реакции, где ортофосфорная кислота проявляет себя двухосновной, z=2. Фактор эквивалентности f=1/z=1/2

В том случае, когда на нейтрализацию одного моля фосфорной кислоты расходуется один моль щелочи (ортофосфорная кислота ведет себя одноосновная кислота), эквивалентное число z и фактор эквивалентности f принимают другие значения.

Н₃PO₄+NaOH=NaH₂PO₄ + H₂O

z=1; f=1/z=1/1=1.

3. Для кислотных оксидов Э_xO_y. Кислотные оксиды, которым соответствует кислоты H_mA, z(Э_xO_y), связаны с эквивалентным числом z(H_mA) следующим соотношением:

z(Э_xO_y)=x z(H_mA)

Например, оксиду фосфора (V) P₂O₅ соответствует кислота H₃PO₄.

Для реакции P₂O₅ +6NaOH=2Na₃PO₄ +3H₂O, в которой ортофосфорная кислота (если бы она участвовала) вела бы себя как трехосновная z(H₃PO₄) =3. Для P₂O₅ z(P₂O₅)=2 z(H₃PO₄)=23=6.

Можно рассуждать и по другому. Один моль P₂O₅ присоединяет шесть моль гидроксида натрия, у которого эквивалентное число 1. Следовательно эквивалентное число для оксида фосфора (V) равно шести.

Рассмотрим другую химическую реакцию, в которой P₂O₅ превращается в гидрофосфат калия:

P₂O₅ +4NaOH=2Na₂НPO₄ +H₂O

В этой реакции Н₃PO₄ вела бы себя как двухосновная кислота (если бы участвовала), т.е. z(H₃PO₄)=2. В этом случае z(P₂O₅)=2 z(H₃PO₄)=22=4.

4. Для основных оксидов Me_xO_y. Основные оксиды, которым соответствует основания Ме(ОН)_m, z(Me_xO_y), связаны с эквивалентным числом z(Me(OH)_m) следующим соотношением:

z(Me_xO_y)=x z(Me(OH)_m)

Рассмотрим реакцию образования KOH из К₂О:

К₂О+H₂O=2KOH

z(KOH)=1, z(К₂О)=2 z(KOH)=21=2

Теперь еще один пример. Рассмотрим реакцию образования гидроксокарбоната меди (II) из оксида меди (II) по схеме:

2СuO+H₂O+CO₂ = (CuOH)₂CO₃

Если бы в реакции участвовало основание Cu(OH)₂ , то для образования (CuOH)₂CO₃, оно вело себя как однокислотное основание, т.е. z(Cu(OH)₂)=1

Следовательно, z(CuO)=z(Cu(OH)₂)=1.

5. Для солей. Эквивалентное число для солей z связано c эквивалентным числом основанием, образованной этим металлом:

z(MexAy)=xz(Me(OH)m)

Рассмотрим реакцию

Cr₂(SO₄)₃+6NaOH=2Cr(OH)₃ + 3Na₂SO₄

Эквивалентное число для Cr(OH)₃ равно 3. z(Cr₂(SO₄)₃)=2z(Cr(OH)₃)=23=6

Рассмотрим некоторые другие примеры

Например, для сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃ z=3*2=6; f=1/z=1/6

Для нитрата бария Ba(NO₃)₂ z=1*2=2; f=1/z=1/2

Выполните упражнения для закрепления материала 1.1

1. Ортомышьяковая кислота имеет формулу H₃AsO₄. Ее подвергли нейтрализации до дигидроарсената калия KH₂AsO₄. Вычислите эквивалентное число для мышьяковой кислоты, которую проявляет вещество в этой реакции? Определите фактор эквивалентности.

2. Серная кислота подвергается полной нейтрализации до сульфата натрия. Вычислите эквивалентное число для серной кислоты, которую проявляет вещество в этой реакции? Чему равен фактор эквивалентности.

3. К раствору хлорида железа (III) был прилит избыток раствора щелочи. Напишите уравнение химической реакции. Определите эквивалентное число для хлорида железа (III). Чему равен фактор эквивалентности вещества.

4. Гидрофосфат калия подвергается нейтрализации до фосфата калия. Напишите уравнение реакции. Определите эквивалентное число для гидрофосфата калия. Чему равен фактор эквивалентности гидрофосфата калия.

5. Карбонат кальция с помощью соляной кислоты превратили в гидрокарбонат кальция. Напишите уравнение химической реакции. Определите эквивалентное число для карбоната кальция. Чему равен фактор эквивалентности для карбоната кальция.