Определение молярной массы эквивалента металла

Цель работы: усвоить понятия химического эквивалента, молярной массы эквивалента, закона эквивалентов; ознакомиться с экспериментальным определением молярной массы эквивалента металла методом вытеснения водорода из кислоты.

Теоретическая часть

Известно, что количество вещества определяется числом структурных единиц (атомов, молекул, ионов) этого вещества и выражается в молях.

Моль ()– это единица количества вещества, содержащая столько же структурных единиц данного вещества, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода, состоящего только из изотопа¹²С.

Молярная масса (М) вещества представляет собой отношение массы вещества (m) к его количеству (), а значение молярной массы численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества или относительной атомной массой элемента, но измеряется в г/моль.

Эквивалентом вещества (_э), вступающего в какую-либо реакцию, называют такое его количество, которое приходится на единицу валентности соответствующего элемента при образовании им соединения.

Химический эквивалент и молярная масса эквивалента представляют собой важнейшие характеристики элементов, простых и сложных веществ, учитывая то, что согласно закону эквивалентов все вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах.

Единицей химического эквивалента (_э), так же как и количества вещества является моль, а молярная масса эквивалента (Мэ), соответственно измеряется в г/моль.

Так, водород в своих соединениях, как правило, одновалентен, и его эквивалент равен 1 моль Н или 1/2 моль Н₂, а молярная масса его эквивалента Мэ(Н) = 1 г/моль.

Кислород в своих соединениях двухвалентен, тогда его эквивалент равен 1/2 моль О или 1/4 моль О₂, а молярная масса его эквивалента Мэ(О) = 8 г/моль.

Железо в своих соединениях может быть и двух-, и трехвалентным, тогда его эквивалент в первом случае будет равен 1/2 моль Fe, а молярная масса эквивалента Мэ(Fe) = 28 г/моль. Эквивалент железа во втором случае будет равен 1/3 моль Fe, а молярная масса эквивалента Мэ(Fe) = 18,6 г/моль. Следовательно, молярную массу эквивалента простого вещества можно рассчитать по формуле:

, (1)

где М(эл-та) – молярная масса элемента; В(эл-та) – валентность элемента.

Молярные массы эквивалентов сложных веществ (оксидов, кислот, оснований, солей) рассчитываются несколько иначе.

Молярная масса эквивалента оксида рассчитывается отношением молярной массы оксида к произведению числа атомов элемента на его валентность.

,

где М(оксида) – молярная масса оксида; n(эл-та) – число атомов элемента; В(эл-та) – валентность элемента.

Для оксида железа (Ш), например, молярная масса его будет равна:

Молярная масса эквивалента кислотырассчитывается отношением молярной массы кислоты к числу атомов водорода в кислоте, способных замещаться в химических реакциях.

,

где М (кислоты) – молярная масса кислоты; n (H) – число замещающихся в химической реакции атомов водорода.

Для серной кислоты (H₂SO₄), например, молярная масса эквивалента будет равна:

Молярная масса эквивалента основания рассчитывается отношением молярной массы основания к числу гидроксогрупп.

,

где М (основания) – молярная масса основания; n (OH) – число гидроксогрупп.

Для гидроксида кальция (Ca(OH)₂), например, молярная масса эквивалента будет равна:

Молярная масса эквивалента соли рассчитывается отношением молярной массы соли к произведению числа атомов металла на их валентность.

,

где М (соли) – молярная масса соли; n (Ме) – число атомов металла; В (Ме) – валентность металла.

Для сульфата натрия (Na₂SO₄), например, молярная масса эквивалента будет равна:

Из закона эквивалентов следует, что массы вступающих и образующихся в результате реакции веществ прямопропорциональны молярным массам их эквивалентов:

, (2)

где m(1) и Мэ(1) – масса и молярная масса эквивалента первого вещества; m(2) и Мэ(2) – масса и молярная масса эквивалента второго вещества.

Из следствия из закона Авогадро вытекает понятие молярный объем - объем, который занимает 1 моль любого газа при нормальных условиях, т.е. при р = 10⁵ Па (1 атм или 760 мм рт. ст.) и Т = 273 К ( 0^о С). Значение этого объема равно 22,4 л/моль (22400 мл/моль). Отсюда можно вывести понятие и молярного объема эквивалента газа (или эквивалентного объема) – объема, занимаемого при нормальных условиях одним эквивалентом (одной молярной массой эквивалента) газа.

Известно, что эквивалент водорода равен 1/2 моль Н₂, тогда молярный объем эквивалента водорода Vэ(Н₂) = 11,2 л/моль; соответственно Vэ(О₂) = 5,6 л/моль, т.к. эквивалент кислорода равен 1/4 моль О₂.

Если же в реакции участвуют газы и известны их объемы, то соотношение (2) можно представить следующим образом:

(3)

где m(1) и Мэ(1) – масса и молярная масса эквивалента первого вещества; V(2) и Vэ(2) – объем и молярный объем эквивалента второго вещества.

Следует иметь ввиду, что объемы, входящие в соотношение (3), нужно приводить к нормальным условиям по формуле объединенного закона Гей-Люссака – Бойля –Мариотта:

, откуда(4)

где р, V, Т – давление, объем и температура газа при условиях опыта; р_о, V_о, Т_о – давление, объем и температура газа при нормальных условиях.

Известны методы экспериментального определения молярных масс эквивалентов: 1) метод прямого определения – молярную массу эквивалента определяют по данным прямого синтеза кислородного или водородного соединения данного элемента; 2) аналитический метод – производится точный анализ соединения данного элемента с любым другим, молярная масса эквивалента которого известна; 3) метод вытеснения водорода - используется для определения молярной массы эквивалента тех металлов, которые способны вытеснить водород из разбавленных кислот и щелочей; 4) электрохимический метод – определяется масса металла, осаждающегося на электроде при электролизе раствора соли этого металла. Молярная масса эквивалента рассчитывается по закону Фарадея: при прохождении через раствор или расплав электролита 965000 Кулонов электричества на электродах выделяется по одному эквиваленту вещества.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Сущность экспериментального определения молярной массы эквивалента металла заключается в определении объема водорода (приведенного к нормальным условиям), вытесняемого из кислоты навеской металла, взятой на аналитических весах.

Произведением молярной массы эквивалента металла на его валентность определяют молярную массу атома металла.

По молярной массе атома металла и его валентности находят местоположение металла в периодической системе элементов Д.И.Менделеева, т.е. его название.

По указанию преподавателя студент взвешивает на аналитических весах навеску металла известной валентности.

Прибор для определения молярной массы эквивалента изображен на рисунке.

П

еред началом работы прибор следует проверить на герметичность. Для этого отсоединяют пробирку А от прибора, через воронку С заливают водой таким образом, чтобы уровень воды в бюретке В установился на нулевом делении или несколько ниже; избыток воды удалить. Присоединяют пробирку А на место. Затем поднимают воронку C вверх и следят за уровнем воды в бюретке В. Если уровень в последней непрерывно повышается, то это означает, что прибор негерметичен и следует проверить все резиновые соединения. Если же прибор герметичен, то повышение уровня воды в бюретке В произойдет незначительно только в первый момент, а потом он будет оставаться неизменным.

Убедившись в герметичности прибора, отсоединяют пробирку А от прибора и, записав начальный уровень воды в бюретке В, наливают в пробирку А 1/4 ее объема соляной кислоты, приготовленной для определения молярной массы эквивалента металла соответствующей валентности.

Держа пробирку А в положении, близком к горизонтальному, помещают на сухое место у отверстия пробирки взвешенный металл и в таком положении соединяют пробирку А с бюреткой В, следя за тем, чтобы металл не упал в кислоту.

Убедившись вторично в герметичности прибора путем поднятия воронки С вверх, стряхивают металл в кислоту и наблюдают за ходом реакции.

По окончании реакции (прекращение выделения пузырьков водорода), устанавливают уровень воды в бюретке В и воронке С на одной высоте, перемещая кольцо К с воронкой С вниз по штативу, и записывают уровень воды в бюретке В после окончания опыта. Шкала бюретки В проградуирована в миллилитрах (мл).

С помощью барометра определяют величину атмосферного давления ( р_атм ), термометра – температуру ( t ) воздуха в помещении (соответственно и температуру воды в приборе) в момент проведения опыта.

С помощью таблицы 1 определяют давление водяного пара ( р_Н2Опар ), соответствующего измеренной температуре опыта, в мм рт.ст.

Таблица 1

Зависимость давления водяного пара от температуры

t , оС	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
рН2Опар	12,8	13,6	14,5	15,5	16,5	17,5	18,7	19,8	21,1	22,4	23,8

Порядок расчета

1. Определите объем выделившегося водорода в результате опыта. Для этого от значения уровня воды в бюретке В после окончания опыта ( V₂ ) следует вычесть значение уровня воды в бюретке В в начале опыта ( V₁ ).

V(Н₂) = V₂ – V₁.

Переведите значение объема выделившегося в результате опыта водорода в кубические дециметры, учитывая, что 1 см³ = 10 ^–3 дм³.

2. Приведите экспериментальный объем выделившегося водорода к нормальным условиям, воспользовавшись формулой 4. Следует учесть, что давление внутри бюретки В складывается из давления водорода и давления водяного пара внутри объема бюретки при данной температуре:

р_атм = р_Н2 + р_Н2Опар , тогда

где р_атм – измеренное атмосферное давление во время проведения опыта; р_Н2Опар – давление водяного пара при температуре опыта; V (Н₂) – экспериментальный объем водорода; Т – температура проведения опыта (К), равная (273+t); р_о, Т_о – давление и температура при нормальных условиях.

3. Вычислите молярную массу эквивалента металла, с точностью до 0,1 г/моль, воспользовавшись формулой 3:

4. Воспользовавшись формулой 1, рассчитайте молярную массу металла и укажите какой это металл.

Результаты эксперимента представьте в виде таблицы 2.

Таблица 2

масса металла, г и (В)	pатм, мм рт.ст.	t, 0C	V1,, мл	V2, мл	V(H2), л	pH2Oпар, мм рт.ст.	V0(H2), л	Мэ (Ме), г/моль	М (Ме), г/моль

5. Вычислите величины абсолютной и относительной ошибок (Х).

Абсолютная ошибка:

Х_абс. = М (Ме) табличное – М (Ме) экпериментальное

Относительная ошибка:

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется эквивалентом вещества?

2. Что является единицей эквивалента вещества?

3. Какую размерность имеет молярная масса эквивалента вещества?

4. Какие значения имеют молярные массы эквивалентов водорода и кислорода?

5. Как можно рассчитать молярную массу эквивалента элемента?

6. Что такое молярный объем и молярный объем эквивалента?

7. Какие значения имеют молярные объемы эквивалентов водорода и кислорода?

8. Как формулируется закон эквивалентов?

9. Почему при выполнении расчетов в экспериментальной части работы нужно знать давление водяного пара?

10. Какие Вы знаете методы экспериментального определения молярной массы эквивалента металлов?

Задачи

1. Медь с кислородом образует два соединения, в которых содержится 79,9 % меди и 20,1 % кислорода, и 88,8 % меди и 11,2 % кислорода. Определите молярные массы эквивалентов меди в этих соединениях и составьте формулы этих соединений.

2. При сгорании 3 г магния образовалось 5 г оксида магния. Рассчитайте молярную массу эквивалента магния.

3. При взаимодействии 2,4 г углерода с кислородом образовалось 5,6 г оксида. Определите молярную массу эквивалента углерода в этом соединении и напишите уравнение реакции.

4. При взаимодействии 4 г двухвалентного металла с кислородом образовалось 5,6 г оксида. Определите, какой это металл и напишите уравнение реакции.

5. При растворении в соляной кислоте 5,4 г трехвалентного металла выделилось 6,72 л водорода, измеренного при н.у. Определите, какой это металл и напишите уравнение реакции.

6. При взаимодействии одновалентного металла с 0,2 г водорода образовалось 4,8 г гидрида металла. Определите, какой это металл и напишите уравнение этой реакции.

7. При окислении 8 г металла, проявляющего валентность, равную I, получено 9 г оксида. Определите, какой это металл и напишите уравнение данной реакции.

8. Рассчитайте объем водорода, выделившегося при растворении в соляной кислоте 18 г металла, молярная масса эквивалента которого равна 9 г/моль.

9. При взаимодействии 0,9 г трехвалентного металла с серой образовалось 2,5 г сульфида металла. Определите, какой это металл, учитывая, что молярная масса эквивалента серы в этом соединении 16 г/моль. Напишите уравнение соответствующей реакции.

10. При окислении 6,4 г серы образовалось 16 г оксида. Определите молярную массу эквивалента серы в этом соединении и напишите уравнение соответствующей реакции.