Химия_1 / prakticheskie

10. Виведіть найпростішу формулу мінералу ільменіту, що має наступний склад: 36,8% заліза, 31,6% титану, 31,6% кисню. Відповідь: FeTiO3.

2.ЕКВІВАЛЕНТИ ПРОСТИХ ТА СКЛАДНИХ РЕЧОВИН

Мета вивчення теми :

-розраховувати еквіваленти та молярні маси еквівалентів простих речовин, оксидів, кислот, основ і солей;

-використовувати закон еквівалентів в розрахунках за хімічними формулами та рівняннями.

Еквівалент визначають як реальну або умовну частинку, яка реагує (тобто приєднує, визволяє або обмінює) з одним іоном водню. Під умовною розуміємо якусь частку реальної частинки.

Еквівалент в окисно-відновних реакціях (ОВР) – це реальна або умовна частинка, яка приєднує або віддає один електрон.

Число, яке показує, яка частка молекули реагує (еквівалентна) з одним іоном водню в даній кислотноосновній реакції або з одним електроном в даній окисновідновній реакції, називається фактором еквівалентності f,

Вобмінних реакціях z дорівнює абсолютній величині сумарного заряду іонів, які інший реагент обмінює з даною речовиною .

Вокисно-відновних реакціях z дорівнює кількості електронів, які приймає (віддає) одна частинка окисника (відновника).

Еквівалент речовини В записують так:

Е(В) = f В,

де В – хімічна формула речовини, а еквівалент катіона В+ або

аніона В виражають як:

Е(В) = f В+,

11

Е(В) = f В ,

де В+ чи В - формули іонів.

Приклад 1. Розрахувати фактори еквівалентності і еквіваленти оксиду алюмінію в реакціях: а) з сірчаною кислотою з утворенням середньої солі; б) з гідроксидом натрію з утворенням метаалюмінату.

Розв’язання. а) Реакція обміну здійснюється за рівнянням:

Al2O3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2O

З рівняння видно, що одна "молекула" Al2O3 реагує з шістьма іонами водню з утворенням води. Робимо висновок, що одному іону водню еквівалентна шоста частина молекули Al2O3, це означає, що f(Al2O3)=1/6. До такого ж висновку можна прийти в результаті іншого міркування. Три сульфат-

іони SO42 (які еквівалентні шістьом іонам водню) обмінюють у "молекулі" Al2O3 три іони кисню. Сумарний заряд трьох сульфат-іонів дорівнює шести (як і сумарний заряд трьох

іонів О2 ). Тоді згідно з формулою (1), f(Al2O3)=1/6, тоді

Е(Al2O3)=1/6 Al2O3.

б) Al2O3 + 2NaOH 2NaAlO2 + H2O

Це обмінна реакція. Одна "молекула" Al2O3 реагує з двома гідроксид-іонами, еквівалентними двом іонам водню. Тому одному іону водню еквівалентна половина молекули Al2O3 і

тоді: f (Al2O3)=1/2, а Е(Al2O3)=1/2 Al2O3.

Якщо реакція, в якій приймає участь оксид, невідома, то за його формулою звичайно визначають найменше значення фактора еквівалентності:

де N(О) і N(Е) – відповідно кількість атомів кисню і елемента в формулі оксиду, а 2 і z(E) – заряди іонів кисню і елемента. Наприклад, для Al2O3 за його формулою:

f = 1/6, а Е(Al2O3) = 1/6 Al2O3

12

Приклад 2. Обчислити еквівалент і фактор еквівалентності фосфорної кислоти в реакції:

Н3PO4 + 2NaOH Na 2HPO4 + 2H2O

Розв’язання. З рівняння реакції видно, що в кожній молекулі Н3PO4 два іони водню обмінюються на два іони натрію. Сумарний заряд іонів водню, що обмінюються, дорівнює двом (так само, як і сумарний заряд іонів натрію).

Згідно з формулою (1): f(Н3PO4)=1/2, Е(Н3PO4)=1/2 Н3PO4.

Кількість атомів водню в молекулі кислоти, що обмінюються на основні залишки, називається основністю кислоти. Для розрахунку фактора еквівалентності кислоти використовується формула:

f (кислоти) 1 основність

В реакції, що розглядається, основність фосфорної кислоти дорівнює двом (два атоми водню обмінюються на два основних залишки Na+) і f(Н3PO4)=1/2,а Е(Н3PO4)= =1/2 Н3PO4.

Одноосновні кислоти мають одне значення еквівалента, що у всіх реакціях за їх участю співпадає з їх молекулами.

Приклад 3. Розрахувати фактор еквівалентності і еквівалент гідроксиду кальцію в реакції:

Ca(OH)2 + HCI CaOHCl + H2O

Розв’язання. В кожній молекулі Са(ОН)2 тільки один гідроксид-іон, заряд якого дорівнює одиниці, обмінюється в цій реакції на хлорид-іон. За формулою (1): f(Са(ОН)2) = 1.

Кількість гідроксид-іонів в молекулі основи, що обмінюються на кислотні залишки, називається кислотністю основи:

f (основи) 1 кислотність

13

У тій реакції, що розглядається, в молекулі Са(ОН)2 тільки один гідроксид-іон обмінюється на хлорид-іон, тому кислотність Са(ОН)2 дорівнює одиниці:

f(Са(ОН)2) = 1; Е(Са(ОН)2) = Са(ОН)2.

Однокислотні основи теж мають одне значення еквівалента в усіх реакціях за їх участю. Так, еквівалент гідроксиду натрію завжди дорівнює його молекулі.

Приклад 4. Розрахувати фактор еквівалентності і еквівалент Na2CO3.

Розв’язання. Оскільки не задана реакція за участю цієї солі двохосновної кислоти, то визначити конкретний вираз еквівалента неможливо. У цьому випадку звичайно вказують найменше значення фактора еквівалентності:

Приклад 5. Розрахувати фактори еквівалентності і еквіваленти Na2CO3 в реакціях з соляною кислотою з утворенням кислої солі та вуглекислоти.

Розв’язання. а) Кисла сіль утворюється при еквімолярному (1:1) співвідношенні реагентів:

Na2CO3 + HCI NaHCO3 + NaCI

До кислотного залишку солі Na2CO3 приєднується один іон водню. Фактор еквівалентності дорівнює одиниці і еквівалентом Na2CO3 у цій реакції є молекула: Е(Na2CO3) = =Na2CO3.

б) Вугільна кислота утворюється при співвідношенні реагентів 1: 2 :

Na2CO3 + 2НCI H2CO3 + 2NaCI

14

До кислотного залишку солі приєднуються два іони водню. Одному іону водню еквівалентна половина молекули Na2CO3 і Е(Na2CO3)=1/2Na2CO3. Той же самий результат можна отримати за формулою (2). Сумарний заряд двох іонів натрію, що обмінюються, як і сумарний заряд двох іонів водню, дорівнює двом.

Приклад 6. Визначити фактори еквівалентності і еквіваленти алюмінію і кисню в реакції:

0 0 +3 -2

4AI + 3O2 2AI2O3

Розв’язання. Це окисно-відновна реакція. Окисником в цій реакції є кисень. Одна молекула О2 приймає чотири електрони, тому що ступінь окиснення елемента кисню змінюється від 0 до –2. Тоді за формулою (1):

f(О2)=1/4; Е(О2) = 1/4 О2.

Отже еквівалентом кисню є умовна частинка, яка дорівнює четвертій частині його молекули. Відновником в цій реакції є алюміній. Один атом алюмінію віддає три електрони, коли ступінь окиснення змінюється від 0 до +3, тому f(Al)=1/3; E(Al)=1/3Al. Еквівалентом алюмінію є умовна частинка, яка дорівнює третій частині його молекули.

Молярна маса еквівалентів речовини Мекв – маса 1 моля еквівалентів цієї речовини. Вона дорівнює добутку фактора еквівалентності на молярну масу речовини:

Мекв = f М,

де М – молярна маса речовини, г/моль.

Молярну масу еквівалентів можна позначати також за загальним правилом літерою М, якщо в дужках вказувати ту частинку, що є еквівалентом даної речовини. Наприклад, молярна маса еквівалентів водню позначається як М(1/2Н2), молярна маса еквівалентів кисню – М(1/4О2). Корисно пам'ятати молярні маси еквівалентів водню і кисню

М(1/2Н2) = 1г/моль, М(1/4О2) = 8г/моль.

15

Для газоподібних речовин застосовують поняття

молярного обєму еквівалентів Vекв - обєму 1 моля еквівалентів газу. Значення цієї величини розраховується за формулою:

Vекв = f Vm,

де Vm – молярний обєм газу, що за нормальних умов (0 С і 101,3 кПа) дорівнює 22,4 л/моль. Зверніть увагу, що

V(1/2Н2) = 11,2 л/моль, а V(1/4 О2) = 5,6 л/моль.

Еквівалент і молярна маса еквівалентів – часто величини змінні. Їх значення залежать від хімічної природи сполук і від реакцій за їх участю. З цієї причини про молярну масу еквівалентів елемента можна говорити, розглядаючи лише конкретну сполуку, а про молярну масу еквівалентів сполуки

– конкретну реакцію, у якій вона приймає участь.

Кількість речовини еквівалентів nекв можна обчислити за загальними правилами, виходячи із маси речовини, або

обєму газу за нормальних умов:

nекв = m/Mекв або nекв = V/Vекв

Приклад 7. Розрахуйте кількість речовини еквівалентів:

а) в 10 г Н2; б) в 44,8 л (н.у.) Н2.

Розв’язання. Використовуючи наведені вище формули обчислимо:

В хімічних розрахунках часто використовують закон еквівалентів:

Кількість молей еквівалентів всіх речовин, які беруть участь у реакції, однакова.

Для реакції аА + вВ сС + дД математичний вираз закону еквівалентів має вигляд:

16

nекв(А) nекв(В) nекв(С) nекв(Д)

Підставляючи замість nекв вираз для кількості речовини

через масу або об єм, отримуємо ще два вирази для закону еквівалентів:

Перше із цих рівнянь дозволяє дати таке формулювання:

маси речовин, що приймають участь у реакції, співвідносяться як молярні маси їх еквівалентів.

Приклад 8. Визначте фактори еквівалентності і еквіваленти усіх речовин, що беруть участь в реакції

Na2O + H2O 2NaOH

Розв’язання. При розв’язанні такої задачі зручно записувати усі викладки рядками під рівнянням реакції. Розв’язок має вигляд:

Упершому рядку проставляємо кількості молекул, що приймають участь у реакції. Ці кількості дорівнюють коефіцієнтам в рівнянні реакції.

Удругому рядку записуємо числа еквівалентів речовин. Однокислотна основа NaOH має постійний еквівалент у всіх реакціях. Її фактор еквівалентності f =1 і еквівалент Е = NaOH записуємо у третьому і четвертому рядках. Оскільки в цій реакції беруть участь дві молекули NaOH, а еквівалентом є одна молекула, то в реакції приймають участь два еквіваленти NaOH. Цю цифру записуємо у другому рядку.

Інші речовини, наприклад вода, в різних реакціях мають неоднаковий еквівалент. Але в даній реакції, за законом

17

еквівалентів, числа еквівалентів усіх речовин однакові і дорівнюють двом.

Для знаходження факторів еквівалентності і еквівалентів Na2O і Н2О звернемо увагу, що в реакції приймають участь по одній молекулі і по два еквіваленти кожної з цих речовин, отже еквівалентом їх є половина молекули, а f = 1/2.

Приклад 9. Метал масою 98,1 г при взаємодії з кислотою витискує 33,6 л водню, виміряного за нормальних умов. Визначте молярну масу еквівалентів металу.

Розв’язання. Згідно з законом еквівалентів:

nекв(Me) = n(1/2 H2)

або після підставлення виразів числа молей через масу і об’єм

Молярна маса еквівалентів складної речовини дорівнює сумі молярних мас еквівалентів її складових частин.

Для оксидів:

Мекв(оксиду) = Мекв(елемента) + М(1/4 О2)

або

Мекв(оксиду) = Мекв(елемента) + 8 Для кислот:

Мекв(кислоти) = М(1/2 Н2) + Мекв(кислотного залишку) або

Мекв(кислоти) = 1 + Мекв(кислотного залишку),

Для основ:

Мекв(основи) = Мекв(основного залишку) + Мекв(ОН )

враховуючи, що Мекв(ОН ) = 17 г/моль Мекв(основи) = Мекв(основного залишку) + 17

Для солей

18

Мекв(солі)= Мекв(осн.залишку)+Мекв(кисл.залишку)

Приклад 10. Розрахувати можливі значення молярної маси еквівалентів гідроксиду алюмінію.

Розв’язання. Згідно з формулою Мекв(основи) = Мекв(осн.залишку) + 17

гідроксид алюмінію в різних реакціях утворює такі основні залишки: а) Al(OH)2+, б) AlOH2+ i в) Al3+. Їм відповідають такі значення молярних мас еквівалентів:

а) Мекв(Al(OH)3) = Мекв(Al(OH)2+) +17 = (27 + 2 17)/1 +17 = = 78 г/моль;

б) Мекв(Al(OH)3) = Мекв(AlOH2+) + 17 = (27 + 17)/2 +17 = = 39 г/моль;

в) Мекв(Al(OH)3) = Мекв(Al3+) + 17 = 27/3 + 17 = 26 г/моль.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Розрахуйте молярні маси еквівалентів оксиду свинцю (IV)

в реакціях: PbO2 + 2H2SO4 Pb(SO4)2 + 2H2O

PbO2 + 2NaOH Na 2PbO3 + H2O

Відповідь: 59,75 г/моль; 119,5 г/моль.

2. Розрахуйте можливі значення молярних мас еквівалентів наступних речовин за їх формулами: H2SeO4, Ni(OH)2, NaHSiO3, CoOHCI, К2SO3.

Відповідь: 145 і 72,5 г/моль; 93 і 46,5 г/моль;

100г/моль; 111,5г/моль; 79 г/моль.

3.Обчисліть молярну масу еквівалентів H2S для такої реакції:

Н2S + NaOH NaHS + H2O. Відповідь: 34 г/моль.

4. Обчисліть молярну масу еквівалентів Cu(OH)2 для реакції: Cu(OH)2 + HCI CuOHCI + H2O. Відповідь: 98 г/моль.

19

5. Чи однакова кількість молярних мас еквівалентів і

молярних обємів еквівалентів міститься відповідно: а) у 230 г натрію і 200 г кальцію; б) у 33,6 л водню і у 28 л кисню.

Відповідь: а) так, по 10 молярних мас еквівалентів; б) ні, 3 і 5 молярних об ємів еквівалентів відповідно.

6. Визначте фактори еквівалентності, еквіваленти і молярні маси еквівалентів всіх речовин, які беруть участь у реакції:

AI2O3 + 6HCI 2AICI3 + 3H2O Відповідь:1/6, 1/6 AI2O3, 17 г/моль; 1, HCI, 36,5 г/моль; 1/3,1/3 AICI3, 44,5 г/моль; 1/2, 1/2Н2О, 9 г/моль.

7. Мідь утворює два оксиди, в одному з яких масова доля міді 88,9%, а в другому – 80%. Визначте молярні маси еквівалентів міді в обох оксидах.

Відповідь: 64 г/моль, 32 г/моль.

8. Для розчинення 8,4 г металу потрібно 7,35 г сірчаної кислоти (реакція протікає з повним витисненням водню з сірчаної кислоти). Визначте молярну масу еквівалентів

металу і обєм водню, який виділяється.

Відповідь:56 г/моль; 1,68 л.

9. 2,6 г гідроксиду металу обробили сірчаною кислотою і одержали 5,7 г сульфату.Визначте молярну масу еквівалентів металу. Відповідь: 8,74 г/моль.

10. 0,35 г двовалентного металу витиснули з кислоти 209 мл водню, який збирали при 20 0С і тиску 102,3 кПа. Визначте молярну масу еквівалентів металу і молярну масу металу. Який це метал? Відповідь: 20 г/моль, 40 г/моль, Са.

3. БУДОВА АТОМА

Мета вивчення теми:

- засвоїти основи теорії будови атома (основні ідеї квантової механіки, апарат квантових чисел електронів в атомі,

20