Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неорганическая и аналитическая химия. Практикум
.pdf
в одной ФЕ Н3РО4 заместились два иона водорода, т. к. про-
дуктом замещения является К2НРО4.
Z(B) = Ni·|qi|,
где Ni – число заместившихся ионов в одной ФЕ;
|qi| – абсолютное значение заряда заместившихся ионов.
Расчет Z (В) в обменных реакциях можно вести как по
положительной, так и по отрицательной части молекулы
сложного вещества:
2К3РО4 + 3CaCl2 = Ca3 (PO4) 2 + 6 KCl
Таблица 1
ФЕ Замещающиеся частицы NiqiZ (B) Э (В)
К3РО
4
СаCl
2
Ca3 (PO4) 2Ca
KCl K
К
РО
Са
Cl
PO
Cl
+
3-
4
2+
-
+2
–3
4
+
-
3 +1 3·1=3 1/3 К3РО
4
1 -3 1·3=3
1 +2 1·2=2 1/2 СаCl
2
2 -1 2·1=2
3 +2 3·2=6 1/6 Ca3 (PO4)
2 -3 2·3=6
1 +1 1·1=1 KCl
1 -1 1·1=1
2
Молярная масса и молярный объем
эквивалентов вещества
Единица количества вещества – моль. Один моль эквивалентов любого вещества содержит 6,02·1023 эквивалентов, как и один моль любого вещества содержит 6,02·1023
формульных единиц этого вещества.
Массу одного моль эквивалентов вещества называют молярной массой эквивалентов вещества. Обозначение Мэк(В),
единица измерения г/моль-эк.
Мэк (В) может быть рассчитана по формуле:
)()(ВМ
ВМэк
,
ВZ
где М (В) – молярная масса вещества, г/моль;
Z (В) – эквивалентное число вещества.
21
Наряду с понятием молярной массы эквивалентов ис-
пользуют понятие о молярном объеме эквивалентов газообразного вещества. Обозначение Vэк (В), единица измерения л/моль-эк. Vэк (В) – это объем, который занимает один
моль эквивалентов газообразного вещества при данных условиях, и он в Z раз меньше молярного объема газа
)(Vм
ВZ
,
)(VВВэк
где Vм (В) – молярный объем газа, л/моль.
При нормальных условиях (н. у.: Т0 = 273 К, Р0 = 1,013·105
Па) молярный объем любого идеального газа равен 22,4
л/моль, поэтому молярный объем эквивалентов газов в этих
условиях вычисляют по уравнению:
0
В
ВZ
)(мV
0
Вэк
)(V
4,22
,
ВZ
где V0эк (В) – молярный объем эквивалентов газообразного
вещества при н. у., л/моль-эк.
Эквивалентные числа Z (Н2) и Z (О2) являются постоянными величинами. Зная их, можно рассчитать Мэк и V0эк
этих веществ и в дальнейшем использовать при решении задач как табличные величины.
Таблица 2
Вещество ФЕ Z (В) М (В), г/моль
Водород Н
Кислород О
2 2 1 11,2
2
4 32 8 5,6
2
Мэк (В), г/
моль-эк
V0эк (В), л/
моль-эк
Количество вещества эквивалентов
Обозначение nэк (В), единица измерения моль-эк. Если
известна масса вещества и молярная масса эквивалентов, то
количество вещества эквивалентов рассчитывают по формуле:
22
Вm
эк
)(n
В
,
)(M
В
эк
где m (B) – масса вещества, г;
Мэк (В) – молярная масса эквивалентов, г/моль-эк.
Для газообразных веществ можно рассчитать nэк (В),
зная объем газа, который он имеет при н. у.:
0
ВV
эк
)(n
В
,
0
)(V
В
эк
где V0 (В) – объем газа при н. у., л;
V0эк (В) – молярный объем эквивалентов газа при н. у.,
л/моль-эк.
Между количеством вещества эквивалентов
су-
)(nэкВ
ществует простая зависимость:
Z(B)n(B))(n
эк
В
Закон эквивалентов
Согласно закону эквивалентов, все вещества
реагируют и образуются в эквивалентных количествах.
Например, для реакции
2СО+О2 = 2СО
2
)(n)(Оn)(n
СОСО
2эк2экэк
Для реакции в общем виде:
ν АА+ ν ВВ = ν СС+ ν ДД ,
где А, В – реагенты;
С, Д – продукты реакции;
νА, νВ, νС, νД – стехиометрические коэффициенты, закон
эквивалентов имеет вид:
n(А) n(В) n(С) n(Д)
эк эк эк эк
23
Для любой химической реакции (для реакции в общем
Мэк(В)
АМэк
m(B)
m(A)
или
виде):
ν (А) ·Z (A) = ν (В) ·Z (B) = ν (C) ·Z (C) = ν (Д) ·Z (Д)
Если известны массы веществ, участвующих в реакции,
то:
m(A)
Мэк(А)
Вm
Мэк(В)
или
m(A)
m(B)
Мэк(В)
АМэк
Эти уравнения являются математическими выражениями закона эквивалентов.
Если одно из веществ находится в газообразном состоянии и известен его объем, то математическое выражение
закона эквивалентов для веществ А и В будет иметь вид:
0
m(A)
Мэк(А)
ВV
0
(B)V
эк
При решении задач по закону эквивалентов следует
помнить:
1. Молярная масса эквивалентов сложного вещества может быть рассчитана по правилу сложения, т. е. равна сумме
молярных масс эквивалентов структурных элементов, образующих данное вещество:
а) оксиды ЭnОm, где Э – элемент, О – кислород:
Мэк (ЭnОm) = Мэк (Э) + Мэк (О2), Мэк (О2) = 8 г/моль-эк;
б) кислоты НnХ, где Н – водород; Х – кислотный остаток:
Мэк (НnХ) = Мэк (Н2) + Мэк (Х), Мэк (Н2) = 1 г/моль-эк;
в) основания Ме (ОН) n, где Ме – металл, ОН – гидрок-
сильная группа:
Мэк (Ме (ОН) n) = Мэк (Ме) + Мэк (ОН), Мэк (ОН) =
= 17 г/моль-эк;
г) соли МеnХm, где Ме – металл; Х – кислотный остаток:
М (МеnХm) = Мэк (Ме) + Мэк (Х):
24
ХМэк
)()(ХМ
ХZ
Эквивалентное число кислотного остатка равно его за-
ряду;
д) гидриды МеНn, где Ме – металлы; Н – водород:
Мэк (МеНn) = Мэк (Ме) + Мэк (Н2), Мэк (Н2) = 1 г/моль-эк.
2. Молярная масса эквивалентов элемента связана с абсолютной величиной степени окисления этого элемента
в соединении соотношением:
ЭМэк
)()(ЭМ
,
С.О.(Э)
где М (Э) – молярная масса элемента, г/моль;
С.О.(Э)
– степень окисления элемента по модулю.
3. Можно пользоваться схемой химического процесса,
т. е. указать только реагенты и продукты, не расставляя уравнивающие стехиометрические коэффициенты.
Например, Ме + О2→ МеnОm,
Ме + кислота → Н2 + соль,
кислота + основание → соль + вода.
Пример. При окислении 10,8 г металла образовалось
20,4 г оксида металла. Вычислить Мэк (Ме) и Мэк (МеnОm).
Решение. Запишем схему процесса:
Ме + О2→ МеnО
m
и закон сохранения массы:
m (О2) + m (Ме) = m (МеnОm)
Отсюда m (О2) = 20,4–10,8 = 9,6 г.
Согласно закону эквивалентов:
Меm
)m(О
МеМэк
)Мэк(О
22
Учитывая, что Мэк (О2) = 8 г/моль-эк, находим:
25
экмольг
/
МеМэк
)(
ОМэкМеm
2
)m(О
2
88.10
9
г/моль-эк.
6.9
Поскольку для оксидов
Мэк (ЭnOm) = Мэк (Э) + Мэк (О2),
Мэк (МеnOm) = 9+8 = 17 г/моль-эк.
Пример. Рассчитать молярную массу эквивалентов
и молярную массу металла, если в гидриде этого металла
на 1 атом металла приходятся 2 атома водорода, а массовая
доля водорода в гидриде составляет 4,76%.
Решение. Гидрид представляет собой соединение металла с водородом. МеНх.
Запишем закон эквивалентов:
Меm
)m(Н
МеМэк
)Мэк(Н
22
Чтобы рассчитать Мэк (Ме), необходимо знать m (Ме)
и m (Н2), Мэк (Н2) = 1 г/моль-эк.
Поскольку ω% (Ме) + ω% (Н2) = 100%,
ω% (Ме) = 100–4,74 = 95,24%.
Если принять массу гидрида равной 100 г, то массы соответствующих его элементов численно будут равны их
массовым долям в соединении. Чтобы убедиться в этом, составим и решим пропорцию относительно m (Ме) и m (Н2):
24.95100
m (МеН2) – 100%
m (Ме) – ω%
m (МеН2) – 100%
m (Н2) – ω% (Н2)
)(m
)(m
2
гМе 24,95
100
76,4100
гН 76,4
100
Подставляя в закон эквивалентов соответствующие значения, получаем:
/0,20
)(
НМэкМеm
2
)m(Н
2
124,95
экмольгМеМэк
76,4
26
Так как Мэк (Ме) и М (Ме) связаны соотношением
МеМэк
С.О.(Ме)
М (Ме) = Мэк (Ме) ·
)()(МеМ
, то
С.О.(Ме)
С.О. (Ме) = +2, поскольку из условия задачи известно,
что на 1 атом металла приходятся 2 атома водорода, а степень окисления водорода в гидридах равна – 1. Рассчитываем малярную массу металла:
М (Ме) = 20·2 = 40 г/моль.
Задания для самостоятельной работы
1. Рассчитайте эквивалент и молярную массу эквива-
лентов азота в соединениях NO2, N2O, NH3, HNO2, HNO3.
2. Рассчитайте эквивалент и молярную массу эквивалентов серы в соединениях SO2, SO3, H2S2O3, K2S, Na2SO3,
K2SO4.
3. Рассчитайте эквивалент и молярную массу эквивалентов фосфора в фосфорной, фосфористой и пирофосфорной кислотах.
4. Рассчитайте эквивалент и молярную массу эквивалентов каждого из перечисленных соединений: Cl2O7, Ca (OH)2,
Al (OH)3, H3AlSO4, Na3PO4, Cr2 (SO4) 3.
5. Рассчитайте эквивалент и молярную массу эквивалентов гидроксида магния в реакциях:
а) Mg (OH) 2 + HCl →
б) Mg (OH) 2 + H2SO4 →
6. Рассчитайте эквивалент и молярную массу эквивалентов фосфорной кислоты в реакциях при указанном соотношении реагентов:
а) H3PO4 + NaOH →
б) H3PO4 + 2NaOH →
в) H3PO4 + 3NaOH →
27
7. Рассчитайте, сколько литров кислорода расходуется
при сгорании 21 г магния, молярная масса эквивалентов которого 12 г/моль.
8. Вычислите процентное содержание кислорода в оксиде четырехвалентного металла, если молярная масса его
эквивалентов равна 29,4 г/моль. Назовите металл, составьте
формулу его высшего оксида.
Практическое занятие № 4.
СТРОЕНИЕ АТОМА И СИСТЕМАТИКА
ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
План темы
1. Основные положения квантовой механики: квантовый характер излучения и поглощения энергии, двойственная природа электрона.
2. Электронное облако и атомная орбиталь (АО). Характеристика АО квантовыми числами. Понятие об энергетических уровнях и подуровнях, «квантовых ячейках».
3. Порядок и правила заполнения электронами энергетических уровней, подуровней и «квантовых ячеек» (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Гунда).
4. Электронные формулы элементов малых и больших
периодов и их характеристика (порядковый номер, группа,
подгруппа, электронное семейство, химическая природа
элемента – металл, неметалл, амфотерный или энертный
элемент).
5. Распределение валентных электронов по квантовым
ячейкам. Понятие о нормальном и возбужденном состоянии
атома, о валентности (ковалентности) и степени окисления
элементов.
6. Современная формулировка Периодического закона
Д. И. Менделеева. Строение периодической системы. Определение периода, группы, подгруппы.
28
7. Свойства атомов элементов и их изменения по основным направлениям периодической системы (масса, радиус,
энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность).
8. Характер изменения металлических и неметаллических, окислительных и восстановительных свойств элементов по периодам и подгруппам.
9. Сравнительная характеристика свойств оксидов и гидроксидов элементов III и IV периодов и элементов, проявляющих переменные значения степени окисления.
Методические указания к решению типовых задач
Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения
они могут принимать?
Решение. Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором
с наибольшей вероятностью (0,9–0,95) может находиться
электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная
орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, ml). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные)
значения. Соседние значения квантовых чисел различаются
на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму
(l) и ориентацию (ml) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует
электронное облако, которое у электронов одного и того же
атома может иметь различную форму. Формы электронных
облаков аналогичны АО. Их называют электронными, или
атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя числами (n, l, ml и ms). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, число n
(главное квантовое число) характеризует энергетический
(квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – мо-
29
мент количества движения (энергетический подуровень),
число ml (магнитное) – магнитный момент, ms – спин. Спин
электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы
одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому на АО
могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами (ms = ± ½).
Пример 2. Составить электронные формулы атомов эле-
ментов с порядковыми номерами 16 и 23. Показать распределение электронов этих атомов по квантовым ячейкам.
Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням,
подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов n lx, где n – главное
квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо
него указывают соответствующее буквенное обозначение –
s, p, d, f), х – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электроны занимают тот энергетический уровень или подуровень, на котором
они обладают наименьшей энергией, т. е. заполнение идет
в соответствии с принципом минимальной энергии:1s → 2s
→ 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s →
(5d) 1→ 4f →5d → 6p → 7s → (6d
1–2
) → 5f → 6d → 7p.
Так как число электронов в атоме элемента равно его
порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева, то для
элемента № 16 (сера)
S 1s2 2s2 2p6 3s2 3p
16
4
для атома № 23 (ванадий)
V 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d
23
3
Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых
(энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую
ячейку обозначают в виде прямоугольника , кружка ○ или
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]