1. Эквивалент. Закон эквивалентов

Эквивалент (Э) – реальная или условная частица вещества, кото­рая может присоединить, заместить в кислотно-основных реакциях один ион водорода (или другого одновалентного элемента), а в окис­лительно-восстановительных реакциях – присоединить или высвободить один электрон.

Под условной частицей вещества подразумевается реально су­ществующие частицы (молекулы, ионы, электроны и т.д.), доли этих частиц (например, ¹/₂ иона) или их группы.

Фактор эквивалентности f_э (х) – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества X эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в реакции окисления-восстановления.

Фактор эквивалентности – величина безразмерная. Принимает значения 1 или меньше единицы.

Для простых веществ и элементов в соединении f_э(х) = 1/В, где В – валентность элемента.

Например, для водорода или натрия f_э= 1/1 = 1. Для магния или кислорода f_э = 1/2.

Молярная масса эквивалента вещества М_э(х) – масса одного моля эквивалента этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности f_э(х) на молярную массу вещества Мх.

М_э(х) = f_э (х) · М_х (кг/моль, г/моль).

Например, молярные массы эквивалентов простых веществ:

М_э(Н) = 1 · 1 г/моль;

М_э(Na) = 1· 23 = 23 г/моль;

М_э(Mg) = ½ · 24 = 12 г/моль;

M_э(О) = ½ · 16 = 8 г/моль.

Если одно из реагирующих веществ – газ, то для него вводится понятие объема эквивалента вещества – V_э(х), который рассчитывается на основании следствия из закона Авогадро:

1 моль газа массой М занимает объем 22,4 л, при нормальных условиях (н.у.):

Р^o = 1 атм.; Т^о = 273 К

1 эквивалент газа массой М_э занимает объем V_э при н.у.

отсюда V_э = 22,4 · М_э / М (л/моль);

Например, при нормальных условиях 1 моль эквивалентов водорода занимает объем, равный:

V_э (Н₂) = 22,4 · 1 / 2 = 11,2 л/моль.

Для кислорода эта величина составляет

V_э (О₂) = 22,4 · 8 / 32 = 5,6 л/моль.

Закон эквивалентов: массы (или объемы) реагирующих веществ пропорциональны молярным массам эквивалентов (или эквивалентным объемам) этих веществ.

m₁ / m₂ = M_э (1) / М_э (2).

Если одно из этих веществ представляет собой газ, то закон эквивалентов записывается в виде

m₁ / М_э(1) = V₂ / V_э (2).

Примеры решения задач

Пример 1. Рассчитайте эквивалентную массу трёхвалентного металла, навеска которого массой 1,44 г при его полном окислении превращается в 2,72 г соответствующего оксида. Какой металл используется в качестве исходного реагента?

Решение. На основании закона эквивалентов составим пропорцию

,

где m – масса реагента, - его молярная эквивалентная масса.

Таким образом,

Из условия задачи находим m(O)=m(окс.)-m(M)=2,72 – 1,44 =1,28 (г).

(O) = 8 , получим:

.

По определению грамм-атомная масса (A) простого вещества равна произведению его молярной эквивалентной массы на валентность (В)

.

В итоге, сравнив найденный результат с значениями средних масс в таблице Д.И. Менделеева, приходим к выводу, что в качестве металла был использован алюминий.

Пример 2. Сколько граммов цинка растворилось в соляной кислоте, если известно, что в ходе этой реакции выделилось 1,2 л водорода.

Решение. С учётом объёмных отношений газообразных реагентов из закона эквивалентов следует, что

,

где m - масса металла, - его молярная эквивалентная масса,V – объём газообразного продукта реакции, - его молярный грамм-эквивалентный объём.

Из данных таблицы Менделеева определим, что

()=11,2 л · моль^-1, получим:

.

Пример 3. Вычислите эквиваленты и эквивалентные массы H₂SO₄ и Al(OH)₃ в реакциях, выраженных уравнениями:

H₂SO₄ + KOH = KHSO₄ + H₂O (1)

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H₂ (2)

Al(OH)₃ + HCl = Al(OH)₂Cl + H₂O (3)

Al(OH)₃ + 3HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3H₂O (4)

Решение. Фактор эквивалентности или эквивалентная масса сложного вещества, как и фактор эквивалентности или эквивалентная масса элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Эквивалентная масса кислоты (основания) равна мольной массе (М), деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл или на число вступающих в реакцию гидроксильных групп. Следовательно, молярная эквивалентная масса H₂SO₄ в

реакции (1) M_H2SO4 = 98 г/моль, а в реакции (2) M_H2SO4 / 2 = 49 г/моль. Эквивалентная

масса Al (OH)₃ (3) M_Al(OH)3 = 78 г/моль, а в реакции (4) M_Al(OH)3 / 3 = 26 г/моль.

Пример 4. Вычислите абсолютную массу молекулы серной кислоты.

Решение. Моль любого вещества содержит постоянную Авогадро (N_А) структурных единиц (в нашем примере молекул). Мольная масса H₂SO₄ равна 98,0 г/моль. Следовательно, масса одной молекулы:

98 / 6,02 · 10²³ = 1,63 · 10^-22 г.