Лабораторная работа № 2 Определение молярной массы эквивалента цинка

Цель работы: познакомиться с понятием химического эквивалента, определить молярную массу химического эквивалента цинка методом вытеснения водорода.

Оборудование и реактивы: прибор для определения молярной массы эквивалента металла (см. рис. 1), термометр, барометр, 25%-ный раствор соляной кислоты, металлический цинк.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Химическим эквивалентом (Э) называется реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим способом эквивалентна (равноценна) одному иону водорода в кислотно-основных и обменных реакциях, либо одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Реальные частицы - это атомы, ионы, молекулы и т.д., а условные частицы - это, например, 1/2 (H₂SO₄), 1/4( С), 1/3( Fe³⁺).

В общем случае эквивалент любого вещества X может быть записан в виде Э_Х =1/z(X), где z - число эквивалентности, или эквивалентное число, которое всегда > 1. Оно показывает, сколько эквивалентов содержится в одной формульной единице вещества.

Для данного вещества z находится по конкретной реакции. В окислительно-восстановительных процессах z определяется числом электронов, принятых или отданных одной формульной единицей вещества, например, в реакции:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

Z(Mg)=2, т.к. магний в ходе окислительно-восстановительной реакции отдает 2 электрона, а Э_Mg =½ (Mg). В обменных процессах Z определяется стехиометрией и равно знаменателю правильной дроби, которая получается при делении коэффициента перед веществом на самый большой коэффициент в реакции:

АI₂O₃ + 6HCI =2AICI₃ +3H₂O

Z (АI₂O₃) = 6, т.к. при делении коэффициента перед АI₂O₃ на самый большой коэффициент в реакции - 6, получается правильная дробь , знаменатель которой равен 6; Z(HCI) = 1, т.к. при делении коэффициента перед HCI на самый большой коэффициент в реакции - 6, получается 1.

Когда речь не идет о конкретной реакции, при определении z для сложных веществ можно воспользоваться следующими правилами:

1) для оксидов z равно числу атомов элемента, умноженному на степень окисления элемента;

2) для кислот z равно основности кислоты;

3) для оснований z равно кислотности основания;

4) для солей z равно числу катионов металла, умноженному на заряд катиона.

Количество вещества эквивалента обозначается v_Э, единица измерения - моль. Один моль эквивалента вещества содержит 6,022-10²³ эквивалентов.

Молярная масса эквивалента M_Э - это масса 1 моль эквивалентов вещества, измеряется в г/моль.

Связь между молярной массой эквивалента, количеством вещества эквивалента, массой и молярной массой вещества выражается соотношениями:

Экспериментальное определение молярной массы химического эквивалента цинка в данной работе основано на законе эквивалентов:

Вещества реагируют друг с другом в равных количествах эквивалентов .

Из закона эквивалентов следует, что массы реагирующих друг с другом веществ, а также массы продуктов реакции относятся друг к другу как молярные массы их эквивалентов:

Если вещество находится в газообразном состоянии то для него справедливы соотношения:; ; где – количество вещества эквивалента; V– объем газообразного вещества в данных условиях; – молярный объем эквивалента вещества в тех же условиях; V_M – молярный объем вещества; Z– число эквивалентности.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

Устройство прибора для определения молярной массы эквивалента металла представлено на рис.1.

Бюретка (1) емкостью 50 мл соединена резиновыми трубками с воронкой (2) и пробиркой (3). В бюретку наливают воду, которая должна также заполнять часть воронки.

Перед началом опыта необходимо убедиться в герметичности прибора. Для этого, пустую пробирку соединяют с бюреткой, и поднимают воронку так, чтобы уровень воды в ней был выше, чем в бюретке. При этом в приборе создается давление, превышающее атмосферное. Если уровень воды в бюретке не изменяется после незначительного первоначального повышения, то прибор герметичен и готов к работе. В противном случае следует исправить дефекты, допущенные при сборке прибора.

При проведении опыта следует придерживаться следующей последовательности действий:

1. Влить в пробирку на 1/5 ее объема через воронку соляную кислоту. Стенки пробирки при этом должны остаться сухими.

2

3

1

Рис.1. Прибор для определения молярной массы эквивалента металла

2. Держа пробирку в наклонном положении, положить на ее стенку кусочек цинка, взвешенный в лабораторной работе №1 так, чтобы он не соприкасался с кислотой.

3. Присоединить пробирку к прибору, плотно закрыв ее пробкой. Убедиться, что герметичность прибора не нарушена.

4. Передвижением воронки привести воду в ней и бюретке к одному уровню. Отметить и записать уровень воды в бюретке V₁, произведя отсчет по нижнему краю мениска (утолщенная поверхностная пленка воды в бюретке). Мениск должен находиться на уровне глаз.

5. Стряхнуть цинк в кислоту. По окончании реакции дать пробирке остыть до комнатной температуры, после чего снова привести воду в бюретке и воронке к одному уровню. Отметить и записать уровень воды в бюретке V₂. Разность V₁ - V₂ равна объему выделившегося водорода в реакции:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂ + H₂↑

6. Отметить показания термометра и барометра.

7. Результаты опыта занести в табл. 1.

Таблица 1. Результаты опыта.

Масса цинка m(Zn), г	Условия опыта			Уровень воды, мл		Объем водорода V(H2), мл
	Атмосферное давление Р, мм рт. ст.	Давление водяного пара h, мм рт ст.	Темпера­тура Т, К	до опыта V1	после опыта V2

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

1. По разности уровней воды в бюретке до и после протекания реакции вычислить объем выделившегося водорода при температуре и давлении опыта.

2. Так как водород собирается над водой, то он насыщен водяным паром. Общее давление в приборе равно атмосферному и складывается из парциальных давлений водяного пара и водорода. Чтобы вычислить парциальное давление водорода, нужно из атмосферного давления Р вычесть величину давления насыщенного при температуре опыта водяного пара h. Для нахождения h следует воспользоваться данными табл.2.

P(H₂)=P-h

Таблица 2. Давление насыщенного водяного пара при различных температурах.

t,0С	h, мм рт. ст.	t,0С	h, мм рт. ст.	t,°C	h, мм рт. cm.	t,°C	h, мм рт. cm.
10	9,2	15	12.8	20	17,5	25	23.8
11	9,6	16	13.6	21	18.6	26	25,5
12	10,5	17	14.5	22	19.8	27	26,7
13	11,2	18	15,5	23	21,1	28	28,3
14	12,0	19	16,5	24	22.4	29	30.0

3.Привести объем выделившегося водорода к нормальным условиям (Р₀ -760 мм рт.ст., Т₀ = 273 К), используя объединенное уравнение газового состояния:

4. Рассчитать экспериментальное значение молярной массы эквивалента цинка в г/моль по закону эквивалентов в соответствии с формулой:

где V_Э(H₂) - объем, занимаемый одним моль эквивалента газообразного водорода, равный половине молярного объема водорода, т.е. 11,2 л/моль или 11200 мл/моль.

5. Рассчитать теоретическое значение молярной массы эквивалента цинка, зная молярную массу цинка и эквивалентное число z, численно равное числу электронов, отданных цинком в ходе окислительно-восстановительной реакции с соляной кислотой.

6. Вычислить относительную ошибку опыта по формуле:

ε(%)=

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1

На восстановление 7,09 г оксида двухвалентного металла требуется 2,24 л водорода, измеренного при (н.у.). Вычислить молярные массы металла и оксида. Чему равна относительная масса металла?

Решение:

По закону эквивалентов массы веществ m₁ и m₂, вступающих в реакцию, пропорциональны молярным массам их эквивалентов

; (1)

(2)

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, то как правило, его количество измеряется в объемных единицах (см³, л, м³).

Формулу (2) преобразуем относительно объема водорода:

Находим молярную массу эквивалента металла:

По закону эквивалентов:

Относительную атомную массу металла определяем из соотношения:

Пример 2

Определить молярную массу эквивалента Fe₂(SO₄)₃ в реакции ионного обмена: Fe₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2 Fe(OH)₃ + 3 Na₂SO₄.

Решение:

По стехиометрии реакции Z частицы Fe₂(SO₄)₃ равно 6, т. к. при делении коэффициента перед Fe₂(SO₄)₃ получается правильная дробь , знаменатель которой равен 6. Так как , то молярная масса эквивалента сульфата железа (Ш) в данной реакции может быть вычислена по формуле

М_Э(Fe₂(S0₄)₃) = M(Fe₂(SO₄)₃) /6 = 400/6 = 66,7 (г/моль).

НЕОБХОДИМЫЙ УРОВЕНЬ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ

1. Знать понятия: эквивалент, число эквивалентности, количество вещества эквивалента, молярная масса эквивалента.

2. Уметь выражать связь между молярной массой эквивалента, количеством вещества эквивалента, массой и молярной массой вещества.

3. Знать закон эквивалентов, уметь применять его для нахождения масс и молярных масс веществ, участвующих или образующихся в реакции.

4. Уметь определять молярную массу эквивалента элемента, эквивалент и молярную массу эквивалента вещества в реакции.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Когда количество вещества эквивалента равно количеству вещества?

2. Определить молярную массу эквивалента Fe(OH)₂Cl в реакциях: a) Fe(OH)₂Cl + NaOH = Fe(OH)₃ + NaCl; 6) Fe(OH)₂Cl + 2HCl = FeCl₃ + 2 H₂O.

3. Почему молярная масса элемента постоянна, а молярная масса его эквивалента может изменяться?

4. Может ли молярная масса эквивалента элемента или вещества быть больше его молярной массы и почему?

5. Почему при расчетах масс реагентов по молярным массам их эквивалентов не нужно знать значения коэффициентов в уравнении реакции?

6. Найти массу алюминия, если при его полном растворении в кислоте выделяется такое же количество водорода, что и при растворении 1,752 г цинка. Молярная масса эквивалента цинка равна 32,69 г/моль, молярная масса эквивалента алюминия - 8,99 г/моль.

7. Для нейтрализации кислоты гидроксидом калия на ее 1,866 г потребовалось 15 г гидроксида калия, молярная масса эквивалента которого равна 56 г/моль. Вычислите молярную массу эквивалента кислоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курс общей химии./Под ред. Н.В.Коровина. - М.:Высш. шк., 1990. -С. 147.

2. Л.М.Романцева, З.Л.Лещинская, В.А.Суханова. Сборник задач и упражнений по общей химии. - М. :Высш. шк., 1991. - С.44 - 47.