2. Основные понятия химии. Закон эквивалентов

Эквивалентом называется такое количество вещества (моль), которое без остатка соединяется с одним атомом водорода или замещает то же его количество в химических реакциях.

Масса одного эквивалента вещества – это его эквивалентная масса M_Э [г/моль].

Эквивалент вещества, а, следовательно, и эквивалентная масса зависят от валентности элементов.

Валентность – способность атома образовывать определенное число ковалентных связей.

За единицу валентности принимают валентность атома водорода, которая равна 1.

А поскольку все элементы образуют соединения с кислородом и учитывая, что атом кислорода всегда присоединяет два атома одновалентного элемента, нетрудно определить валентности.

Эквивалентная масса элемента определяется из соотношения:

где А_эл. – атомная масса элемента, г/моль.

При определении эквивалентной массы оксида удобно пользоваться формулой:

М_{э,оксида} = М_э,эл. + 8,

где М_Э,эл. – эквивалентная масса элемента, г/моль;

8 – эквивалентная масса кислорода в оксидах, величина постоянная, найденная из соотношения ^г/моль.

Эквивалентная масса вещества В (M_Э,В) определяется из соотношения

где M_B – молярная масса вещества В, г/моль;

f_Э – эквивалентное число (фактор эквивалентности).

При вычислении эквивалентных масс кислот, оснований или солей эквивалентные числа определяются:

f_Э (кислоты) – числом ионов H⁺ (например, для H₂SO₄, f_Э = 2);

f_Э (основания) – числом ионов OH^– (например, для Al(OH)₃, f_Э = 3);

f_Э (соли) – суммарным зарядом всех катионов данной соли (например, Al(OH)₂Cl, f_Э = 1, Al₂(SO₄)₃; f_Э = 6 и т.д.).

Эквивалентное число и молярная масса эквивалента – величины не постоянные и зависят от стехиометрии реакции, в которой они принимают участие.

f_Э определяется в:

– кислотно-основных реакциях f_Э определяется числом замещенных ионов водорода;

– окислительно-восстановительных реакциях f_Э определяется числом принятых или отданных электронов;

– реакциях комплексообразования – числом зарядов катионов металла, которые принимают участие в образовании молекулы комплексного иона;

– реакциях осаждения – числом зарядов катионов металла, участвующих в образование малорастворимого соединения.

Например, реакция нейтрализации гидроксида натрия (NaOH) фосфорной кислотой (H₃PO₄) может протекать с образованием кислых (1, 2) и средней (3) солей:

1)

2)

3)

В первом случае только один ион водорода фосфорной кислоты замещается на катион металла, отсюда и эквивалентное число равно единице. Во втором случае два иона водорода фосфорной кислоты замещаются на ионы металла, следовательно, В третьем случае три иона водорода кислоты замещаются на катионы натрия,

Окислительно-восстановительные реакции. Рассмотрим на примере восстановления (ионов) в зависимости от реакции среды.

Полуреакция

выражает восстановление ионов в ионыв кислой среде (рН < 7), в результате чего происходит принятие пяти электронов, следовательно,

В щелочной среде (рН > 7) ионы восстанавливаются до молекулы оксида марганца (IV) , что выражается полуреакцией

,

в результате которой происходит принятие трех электронов. Следовательно,

В нейтральной среде ионы восстанавливаются до ионов, что связано с принятием только одного электрона:

, а

Так, для , в зависимости от реакции среды,f_Э может принимать значения 1, 3 или 5.

Реакции комплексообразования. Рассмотрим на примере реакции образования гексацианоферрата (II) калия-цинка (), которая протекает по схеме

и определим f_Э гексацианоферрата калия (K₄[Fe(CN)₆]). В двух молях гексацианоферрата (II) калия было замещено шесть ионов калия тремя ионами цинка, следовательно, в каждой молекуле было замещено 3 иона калия, или во взаимодействии с каждой молекулой приняли участие 3 иона цинка, следовательно, .

Реакции осаждения. Разберем на примере образования сульфата бария () по реакции

В данной реакции участвует один катион бария с зарядом иона +2 (), отсюда

Закон эквивалентов (Рихтер, 1792-1794 гг.). Массы, объемы реагирующих веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам (M_Э), эквивалентным объемам ().

, ,.

Математическая запись закона эквивалентов представлена в трех вариантах через:

– массы реагирующих веществ;

– массы и объемы реагирующих веществ;

– объемы реагирующих веществ.

Эквивалентным объемом называется объем одного эквивалента вещества [л/моль]. Имеет смысл только для газообразных веществ и может быть определен следующим образом:

,

где V_o – мольный объем газа, т.е. объем, занимаемый газом при нормальных условиях (Р_о = 760 мм рт. ст. = 101325 Па; Т_о = 273 K), л.

Например:

^л/моль;

^л/моль;

^л/моль.