1647

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный универ-

ситет»

С.В.Митрофанова, И.Л.Смельцова

ХИМИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия»

для обучающихся по направлению подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений

профиль Строительство гидротехнических сооружений

повышенной ответственности

Нижний Новгород

2016

3

УДК 541 (075)

Митрофанова С.В. Химические единицы количества вещества [Электронный ре-

сурс]: учеб. - метод. пос. / С.В.Митрофанова, И.Л. Смельцова; Нижегор. гос. ар-

хитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 16 с; ил. 1 электрон.

опт. диск (CD-RW)

Рассмотрены единицы количества веществ, используемых в химии - угле-

родная единица, моль и эквивалент, а также производные от них - молярная и эк-

вивалентная масса. Предложены лабораторные работы по экспериментальным ме-

тодам определения молярной массы веществ, и эквивалентной массы металлов и солей.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Химия» для студентов 1 курса, направление 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений

профиль Строительство гидротехнических сооружений

повышенной ответственности

© С.В.Митрофанова,

И.Л. Смельцова, 2016 © ННГАСУ, 2016.

4

Введение Материальная система обладает бесконечным множеством различных

свойств, которые описываются количественными и качественными параметрами.

Некоторые из этих свойств прямо пропорциональны количеству вещества. К ним относятся: масса - мера гравитации и инерции; объем и число структурных эле-

ментов, составляющих вещество (молекулы, атомы, электроны и другие частицы).

Эти свойства называют экстенсивными. Остальные свойства - интенсивные. Они не зависят от количества вещества. Например, плотность, давление, температура и другие.

Количества вещества системы выражают через величины экстенсивных свойств. В практике в качестве единицы количества вещества используют величи-

ны массы и объема. В химии и атомной физике единицами количества вещества служат углеродная единица, моль и эквивалент.

Углеродная единица равна 1/12 части массы атома изотопа углерода 12С. В

соответствии с этим массу атомов и молекул, выраженную в углеродных единицах называют относительной атомной и молекулярной массой (так масса атома водо-

рода равна 1,00797 углеродной единицы, масса атома кислорода - 15,9994 угле-

родной единицы).

Единица количества вещества «моль» связана с числом структурных эле-

ментов. Моль - это такое количество вещества, в котором содержится столько структурных элементов (например, молекул, атомов) сколько атомов содержится в

12 г изотопа углерода 12С. В 12 г этого изотопа содержится 6,02 1023 атомов (число Авогадро).

Единица количества вещества «эквивалент» является функцией числа струк-

турных элементов и валентности атомов, образующих это вещество. Определение эквивалента вытекает из закона эквивалентов: количества вещества, выраженные в эквивалентах, для всех участников данной химической реакции одинаково. На-

пример, для реакции А + В = С + D 5 эквивалентов вещества А взаимодейст-

5

вует с 5 эквивалентами вещества В и при этом образуется по 5 эквивалентов ве-

ществ С и D.

В общем случае: = ,

где: m - масса вещества, вступившего в реакцию,

Э - эквивалентная масса вещества.

Эквивалент - это такое количество вещества, которое взаимодействует с 1

эквивалентом водорода. Эквивалент водорода это такое его количество, в котором

содержится 6,02.1023 атомов.

Масса и количества вещества, выраженное в молях и эквивалентах, связаны

ν - количество вещества в молях;

n - количество вещества в эквивалентах;

М - молярная масса вещества;

Э - эквивалентная масса вещества.

Молярная масса М выражается в единицах г/моль, а эквивалентная Э в г/экв.

Нетрудно найти связь между эквивалентной и молярной массой вещества из формул (1) и (2):

Отношение ν/ n обратно пропорционально произведению числа атомов или ионов на их валентность. Найдем эквивалентную массу кислорода: молярная масса кислорода равна 32 г/моль, молекула кислорода состоит из двух атомов, ва-

лентность кислорода равна 2, тогда, Э = М . 1/ 2.2 = 32 . 1/ 4 = 8 г/экв.

Таким образом, эквивалентную массу простого вещества можно рассчитать по формуле:

ляющими постоянную валентность, постоянна. Например, ЭН= 1 г/экв, ЭО= 8 г/экв,

ЭАl= 9 г/экв.

Понятия эквивалента и эквивалентной массы распространяется и на слож-

ные вещества. Эквивалентная масса сложного вещества равна сумме эквивалент-

ных масс простых веществ или ионов, образующих это вещество. Например,

ЭAl2O3 = ЭAl + ЭО = 9 г/экв + 8 г/экв = 17 г/экв;

Число групп (ОН-) в формуле

Мсоли

Число атомов металла . Валентность металла

Моксида

Число атомов элемента . Валентность элемента

8

крытом кране 1 и закрытом кране 2 включить насос на 2-3 минуты. Закрыть кран

1, отсоединить сосуд от насоса.

2.Вакуумированный сосуд осторожно взвешивают на технических весах с точностью ± 0,01 г. Записать массу сосуда m1.

3.Для заполнения сосуда воздухом осторожно открыть краны 1 и 2. Для за-

полнения сосуда углекислым газом, его с помощью резинового шланга присоеди-

няют к аппарату Киппа, осторожно открывают краны 1 и 2, открывают кран на ап-

парате Киппа и медленно пропускают СО2. При этом заполняемый сосуд распола-

гают вертикально и СО2 подают снизу.

4.Взвешивают сосуд, заполненный газом на технических весах. Записать массу сосуда m2 и по разности m2 - m1 найти массу газа.

5.Определяют значения комнатной температуры и атмосферного давления.

Используя полученные данные:

m1 - масса вакуумированного сосуда; m2 - масса сосуда, заполненного газом;

Р - атмосферное давление (давление газа);

Т – температура.

Молярная масса воздуха равна 29 г/моль.

По уравнению (9) рассчитывают молярную массу газа.

Вычисляют относительную погрешность:

,

где: Мэкс. - молярная масса газа, вычисленная из экспериментальных дан-

ных;

Мрасч. - молярная масса газа, рассчитанная на основании относитель-

ных атомных масс.

Лабораторная работа №2.

Определение молярной массы металла.

Цель работы: экспериментальным путем определить молярную массу маг-

ния.

В основе одного из экспериментальных методов определения молярной мас-

сы металлов, вытесняющих из кислот водород, лежит реакция между навеской ме-

талла и избытком кислоты.

Mg + 2 HCl = MgCl2 + H2

При растворении двухвалентного металла число молей, выделившегося во-

дорода, равно числу молей растворившегося металла. Измерив объем выделивше-

гося водорода, его давление и температуру вычисляют число молей выделившего-

ся водорода из уравнения Менделеева-Клапейрона

(10)

ν(H2) = νМg, а из уравнения (1) ММg = mм/ νМg, тогда

Подставив mH2 из уравнения (11) в уравнение (10), получим:

(11)

Экспериментальная часть.

1. В короткое колено сосуда 1, изображенного на рисунке 2, помещают на-

веску магния, а в длинное колено избыток соляной кислоты (15 мл 13 % раствора).

10

Сосуд закрываем пробкой с резиновой трубкой, соединяющей сосуд 1 с измери-

тельной бюреткой 5.

2. Открывают кран 2 и с помощью урав-

нительной склянки с водой 3 заполняют бю-

ретку до метки 4, совместив уровни воды в из-

мерительной склянке и бюретке. Закрывают кран 2.

3. Осторожно приливают кислоту к маг-

нию небольшими порциями.

4. После окончания реакции сосуд 1 ох-

лаждают до комнатной температуры и измеря-

Рис. 2. Схема установки. ют объем выделившегося водорода, предвари-

тельно совместив уровни воды в уравнитель-

ной склянке и бюретке.

5. Определяют температуру и атмосферное давление.

Из экспериментальных данных:

mм - масса магния (г),

VH2 - объем выделившегося водорода (л),

Р - атмосферное давление (атм),

Т - температура (К),

R - универсальная газовая постоянная

(для расчетов выбираете наиболее удобные единицы),

по уравнению (11) находят Мм.

Относительную погрешность измерения вычисляют по формуле:

,