2. Химический эквивалент

Закон эквивалентов: массы (объёмы) реагирующих и образующихся при этом веществ пропорциональны молярным массам (объёмам) их эквивалентов.

или,

или,

а также

или или .

Химический эквивалент^* – это условная или реальная частица равная иону водорода (или другому однозарядному иону) в ионно-обменной реакции или электрону в окислительно-восстановительной реакции.

Число, обозначающее долю реальной частицы, называется фактором эквивалентности (f_экв – безразмерная величина). Фактор эквивалентности не является величиной постоянной, его рассчитывают, используя стехиометрические индексы в формулах химических соединений или стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций. Фактор эквивалентности выражается отношением 1/z, где z – число эквивалентов данного вещества, содержащихся в его молекуле (формульной единице).

Молярная масса эквивалентов (эквивалентная масса) – это масса 1 моля эквивалентов данного вещества. Она равна произведению фактора эквивалентности данного вещества на его молярную массу:

М_экв (В) = f_экв∙ M(В).

Единица эквивалентной массы – г/моль.

Количество вещества эквивалента, как и любое количество вещества, измеряется в молях.

Пример 1. Определите молярные массы эквивалентов серной кислоты для химических реакций:

а) Н₂SО₄ + NaOH → Na₂SO₄ + Н₂О;

б) Н₂SО₄ + NaOH → NaHSО₄ + H₂O.

Решение.

Из уравнения химической реакции а:

Н₂SО₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2Н₂О,

следует, что при двукратном избытке гидроксида натрия и образовании сульфата натрия происходит замещение обоих атомов ионов водорода в молекуле серной кислоты. То есть в этой кислотно-основной реакции атому иону Н⁺ эквивалентна условная частица, равная 1/2 молекулы Н₂SО₄, и, следовательно, f_экв (Н₂SО₄) = 1/2.

Из уравнения реакции б:

Н₂SО₄ + NaOH = NaHSО₄ + H₂O,

следует, что при взаимодействии серной кислоты и гидроксида натрия в равном мольном соотношении образуется гидросульфат натрия NaHSО₄. То есть в молекуле Н₂SО₄ замещается только один ион Н⁺, и ему в этом случае эквивалентна реальная частица – молекула Н₂SО₄, следовательно, f_экв (Н₂SО₄) = 1.

Из рассмотренных примеров следует, что:

- химический эквивалент одного и того же вещества может быть разным в зависимости от того, в какую реакцию это вещество вступает. Поэтому, рассчитывая фактор эквивалентности, нужно указывать, о какой реакции идёт речь;

- фактор эквивалентности может быть меньше или равен единице (f_экв ≤ 1).

Молярная масса эквивалентов Н₂SО₄ в реакции а вычисляется следующим образом:

= f_экв (Н₂SО₄) ∙ М(Н₂SО₄);

= 1/2 ∙ 98 г/моль = 49 г/моль,

а в реакции б она равна молярной массе Н₂SО₄, так как f_экв = 1.

Ответ: а) 49 г/моль; б) 98 г/моль.

Пример 2. Определите молярную массу эквивалента магния, если при окислении его 4,6 г образуется 7,6 г оксида MgO.

Решение.

Поскольку в образовавшемся оксиде магния на долю кислорода приходится 7,6 – 4,6 = 3 г, то согласно закону эквивалентов:

М_экв (Mg) = = 12,15 (г/моль).

Ответ: 12,15 г/моль.

Пример 3. Вычислите массу хлора, прореагировавшего с некоторым количеством алюминия, если на окисление такого же количества алюминия израсходовано 16 г кислорода.

Решение.

Задача может быть решена посредством вычисления массы алюминия, а затем хлора по следующим уравнениям химических реакций:

2Al + 3O₂ = 2Al₂O₃;

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃.

Однако проще воспользоваться законом эквивалентов, согласно которому массы реагирующих веществ пропорциональны молярным массам их эквивалентов:

или =.

Исходя из этих соотношений, получим следующую пропорцию:

= .

Исходя из электронных уравнений полуреакций:

+ 4℮^– =,f_экв (О₂) = ¼;

+ 2℮^– = 2,f_экв(Cl₂) = ½;

определим факторы эквивалентности для кислорода и хлора.

Таким образом,

= 1/4 М(О₂) = 1/4 ∙ 32 = 8 (г/моль),

= 1/2 М(Cl₂) = 1/2 ∙ 71 = 35,5 (г/моль).

Преобразуя полученную выше пропорцию и подставляя известные и найденные значения, вычислим массу прореагировавшего хлора:

m(Cl₂) = == 71 (г).

Ответ: 71 г.