§ 12. Поняття про еквівалент та молярну концентрацію еквівалента. Обчислення молярної концентрації еквівалента

Відповідно до закону сталості складу речовини взаємодіють між собою в суворо визначених кількісних або рівноцінних (еквівалентних) співвідношеннях. Для характеристики величини мас речовин, що сполучаються одна з одною без залишку, було введено поняття «еквівалент».

Еквівалент — реальна або умовна частинка речовини, яка в хімічних реакціях рівноцінна за хімічною дією одному йону Гідрогену або групі ОН – , а в окисно-відновних реакціях — одному відданому чи прийнятому електрону.

Число, обернене до числа йонів Гідрогену (основності кислоти) або гідроксильних груп (кислотності основи), що беруть участь у кислотно-основних реакціях, або до числа відданих чи прийнятих електронів в окисно-відновних реакціях, називають фактором еквівалентності. Його позначають f_екв(Х).

Це безрозмірна величина, яка менша або дорівнює одиниці. Формули для обчислення фактора еквівалентності елемента, простої речовини, неорганічних речовин основних класів, а також окисника та відновника наведено в таблиці 3.

Розрахунок фактора еквівалентності

Молярна концентрація еквівалента речовини — це відношення кількості речовини еквівалента до об’єму розчину V:

Молярну концентрацію виражають у моль/л.

Кількість речовини еквівалента обчислюють за формулою

Отже, для обчислення молярної концентрації еквівалента речовини потрібно знати її фактор еквівалентності та молярну масу.

Як визначають молярну масу еквівалента будь-якої речовини?

Молярна маса еквівалента M(fекв(X) X) речовини — це добуток фактора еквівалентності і молярної маси цієї речовини:

Атомна маса еквівалента будь-якого елемента в сполуці дорівнює добутку фактора еквівалентності цього елемента — величини, оберненої до ступеня його окиснення в сполуці, і його атомної маси. Так, атомні маси еквівалента йона Алюмінію та йона Оксигену в сполуці Al₂O₃ дорівнюють:

Молярна маса еквівалента алюміній оксиду Al₂O₃ дорівнює добутку фактора еквівалентності цього оксиду (величини, оберненої до добутку числа йонів Алюмінію на заряд його йона) та його формульної маси:

Молярна маса еквівалента кислоти — добуток фактора еквівалентності цієї кислоти (величини, оберненої до числа катіонів Гідрогену) і її молярної маси:

Молярна маса еквівалента основи — добуток фактора еквівалентності цієї основи (величини, оберненої до числа гідроксигруп) і її формульної маси:

Молярна маса еквівалента солі — добуток фактора еквівалентності цієї солі (величини, оберненої до добутку числа катіонів або аніонів на їхній заряд) та її формульної маси:

Таким чином, наприклад, якщо ортофосфатна кислота масою 19,6 г міститься в розчині об’ємом 3 л, то її молярна концентрація еквівалента дорівнює:

Обчислення молярної концентрації еквівалента розчиненої речовини

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента сульфатної кислоти, 600 мл розчину якої містять 235,2 г сульфатної кислоти.

Приклад 2. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента калій гідроксиду, 800 мл розчину якого містять 280 г калій гідроксиду.

Приклад 3. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента натрій ортофосфату, 3,075 л розчину якого повністю осаджують 249,75 г кальцій хлориду з його розчину.

Приклад 4. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента хлоридної кислоти, якщо 200 мл її розчину повністю нейтралізують розчин, що містить 8 г натрій гідроксиду.

Приклад 5. Яка маса ортофосфатної кислоти необхідна для приготування 720 мл розчину з молярною концентрацією еквівалента кислоти 0,5 моль/л?

Приклад 6. До розчину алюміній сульфату об’ємом 500 мл долили розведений розчин натрій гідроксиду, у результаті чого утворився осад масою 6,84 г. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента алюміній сульфату в розчині.

Основні поняття. Еквівалент. Фактор еквівалентності. Молярна маса еквівалента речовини. Молярна концентрація еквівалента речовини.

Запитання та завдання

• 1. Обчисліть молярну концентрацію ортофосфатної кислоти, 500 мл розчину якої містять 28 г ортофосфатної кислоти.
• 2. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента натрій гідроксиду, розчин якого об’ємом 200 мл містить 16 г цього лугу.
• *3. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента натрій хлориду, якщо 400 мл його розчину повністю взаємодіють з розчином, що містить 34 г аргентум(І) нітрату.
• *4. У розчині об’ємом 250 мл міститься магній сульфат, який повністю прореагував з натрій гідроксидом масою 10 г. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента магній сульфату в розчині.
• *5. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента сульфатної кислоти, у результаті взаємодії 0,5 л розчину якої з алюмінієм виділяється 33,6 л (н. у.) водню.

Закон еквівалентів: формула і формулювання. Закон еквівалентів в хімії

В кінці XVIII століття були отримані емпіричним шляхом багато закони хімії. Ними можна було користуватися і застосовувати їх на практиці, але точне доказ було отримано лише через багато десятиліть потому. Одним з таких стовпів сучасної хімії став закон еквівалентів, який безпосередньо пов’язаний з іншими фундаментальними законами – законом збереження маси і правилом кратних відносин.

Передісторія

Підставою для нового положення став уже відомий в кінці XVIII століття закон постійного складу, пізніше названий законом збереження маси. Завдяки йому було з’ясовано, що різні хімічні речовини можуть взаємодіяти не довільно, а в строго певних пропорціях. Тому в хімічному лексиконі з’явилися слово «еквівалентність». Нове поняття в перекладі на російську мову означало «рівноцінність». Це був перший крок до створення правила, яке пізніше стало відомо як закон еквівалентів. Численні експерименти пізніше неодноразово підтверджували теоретичну здогад.

Нове правило

Закон еквівалентів в хімії кілька разів змінював свою назву. У сучасних підручниках він записується наступним чином:

• «Еквівалентом будь-якого елемента вважають таку його кількість, яка може з’єднатися з одним молем водню».

Таке формулювання закону еквівалентів універсальна і використовується в шкільній хімії та в серйозних наукових експериментах. Наприклад, для відомого з’єднання HCl еквівалент хлору відповідає одному молю, з’єднання H₂S, H₂O еквіваленти для сірки і кисню будуть рівні ? моля і так далі. У з’єднаннях виду H_nX, де H – водень, X – інший хімічний елемент, n – кількість водню в молекулі, еквівалент елемента X завжди буде дорівнює 1/n моль. Даний закон еквівалентів в хімії поширюється і на прості речовини, в яких водень взаємодіє з одним елементом, і на з’єднання, в яких водень сусідить з безліччю інших атомів.

Еквівалентна маса

Висновком з нового закону стало нове поняття маси. Новий термін став дуже зручний для вимірювання зміни речовини в реакціях. Еквівалентною масою стали називати масу 1 еквівалента. Так, закон еквівалентів передбачає масу іншого елемента навіть без лабораторних досліджень. На наведеному прикладі сполуки соляної кислоти еквівалентна маса хлору дорівнює 34,45 г/моль. У з’єднанні H₂O еквівалентна маса кисню дорівнюватиме 16 : 2 = 8 г/моль і так далі.

Як це можна обчислити

Еквівалентну масу можна вирахувати методом аналізу одержаних сполук. Необов’язково при цьому досліджувана речовина з’єднувати з воднем для обчислення еквівалентної маси. Закон еквівалентів підтверджує, що достатньо знати склад сполуки цього елемента і еквівалентну масу іншого елемента, з яким з’єднується наш невідомий зразок. Прикладом знаходження еквівалента може служити наступна завдання:

З’єднання 3 г натрію з надлишком хлору утворило 7,62 г кухонної солі (хлориду натрію). Дізнайтеся еквівалентну масу натрію, якщо Е_Cl = 35,45 г/моль.

З умови задачі випливає, що в продукті реакції – кухонної солі на 3 г натрію доводиться 7,62 – 3 = 4,62 м хлору. Звідси випливає висновок:

Е_Na = 3 ? 35,45 : 4,62 = 23 г/моль.

Молярна маса натрію легко визначається з таблиці Менделєєва. Вона дорівнює 23 г/моль. Звідси випливає, що еквівалентна маса натрію дорівнює одному молю.

Складні елементи

Оточуюча нас жива і нежива природа складається з безлічі різних речовин, і більшість з них є складними. Тому часто еквіваленти визначаються по-різному, в залежності від того, зі складу якої сусідньої речовини вони були отримані. Але у всіх досліджуваних випадках різні еквіваленти ставилися один до одного як цілі малі числа. Наприклад, достатньо взяти такі відомі сполуки, як оксид і діоксид сірки. Еквівалентні маси цього елемента, обчислені вищенаведеним способом, дають значення 16 г/моль 32 г/моль. Але співвідношення цих значень зводиться до простого увазі 1:2.

Дане правило було виведено емпіричним шляхом знаменитим англійським хіміком, лікарем і натуралістом Джоном Дальтоном. Вчитель-самоучка, який ставив дивовижні експерименти спочатку викликав переляк слуг і смішив сусідів. Тим не менш, ставлячи свої нескладні досліди, він підтвердив багато наукові припущення. Закон кратних відносин був вперше сформульований саме їм.

Закон еквівалентів поширюється й на складні сполуки, в яких взаємодіють кілька елементів. Поняття еквівалента для одного з елементів в складному сполученні перестає бути однозначним. Для таких з’єднань формулювання закону еквівалентів звучить трохи інакше: “як еквівалент складного речовини використовується така його кількість, яка буде брати участь у хімічній реакції без залишку з одним еквівалентом елемента або складного з’єднання, або ж з одним еквівалентом водню”.

Це правило використовується повсюдно. Якщо прибрати громіздкі визначення, його можна звести до наступного положенням: “Різні речовини можуть вступати в реакції тільки в тих кількостях, які пропорційні їх еквівалентів”.

Розчини

При вивченні і складанні розчинів всі перераховані вище закони застосовуються в повній мірі. Тут роль еквівалента відіграє нова одиниця, яка носить назву г/ еквівалент. Так називається кількість речовини, одна частинка (атом чи іон) хімічно рівноцінна атома або іона водню. Таким чином, закон еквівалентів для розчинів звучить аналогічно класичним визначенням.

Загальний закон еквівалентів

Формула еквівалентів різних сполук у загальному випадку виглядає так:

Як можна бачити, еквівалентність знаходиться в прямій залежності від молярної маси речовини і від його валентності. При наявності у хіміка інформації про еквівалентах невідомих елементів він може визначити його здатність вступати в хімічні реакції. При відомому кількості грам/еквівалентів речовини вчений може одразу зробити висновок про концентрацію і властивості того чи іншого розчину.

Стехиометрия

Кількісним складом речовин і їх співвідношенням у з’єднаннях присвячений окремих розділ хімії, званих стехіометрією. Завдання цього розділу теоретичної хімії складаються в розрахунку кількісних співвідношень у з’єднаннях. Для простих речовин це досить просто, а для складних – білків або вірусів, стехіометричні розрахунки стають дуже важким завданням.

Techemy

Твердотільні та електрохімічні сонячні батареї

Магніт подвоює вихід водню при електролізі води (відео)

Наногель регулює рівень цукру в крові

Коди біологічної регуляції

Твердий, рідкий, газоподібний

Таємниці хімічних перетворень

Еквівалент

Якщо в реакції дві речовини відповідно до рівняння взаємодіють в рівних кількостях а, отже, в рівному масовому відношенні, пропорційному їх молярним масам, то можна стверджувати, що взаємодіючі кількості та маси цих речовин рівноцінні – тобто еквівалентні.

Приклад. В реакції Fe + S = FeS співвідношення реагуючих кількостей Феруму і Сульфуру становить 1 : 1, масове співвідношення дорівнює 55,85 : 32,07. Тобто якщо в реакцію вступає 0,5 моль Fe, то з цією кількістю Феруму прореагує така ж кількість Сульфуру – 0,5 моль S; і відповідно, якщо в реакцію вступає 55,85 г / моль·0,5 моль = 27,925 г заліза, то ця маса заліза прореагує з еквівалентною їй масою сірки 32,07 г / моль·0,5 моль = 16,035 г S. Очевидно, що в реакції утворення двоелементної речовини FeS з простих речовин, стехіометрична валентність атомів Феруму і Сульфуру однакова. Якщо в подібних реакціях атоми елементів проявляють різну валентність, то виникає необхідність ввести фактор еквівалентності – f_eq, оскільки кількості реагуючих речовин вже не будуть рівними, а маси цих речовин вже не будуть пропорційні їх молярним масам.

Фактор еквівалентності f_eq речовини – це величина, що показує, яка частина одиниці речовини (молекула, іон), в даній хімічній реакції, відповідає одному еквіваленту:

f_eq = 1 / z

Для однієї і тієї ж речовини, в різних хімічних реакціях, фактор еквівалентності може бути різним.
При визначенні фактора еквівалентності (завжди f_eq ≤ 1) та еквівалентного числа (завжди f_eq ≥ 1) враховуються такі характеристики формульних частинок і хімічних реакцій:

• стехіометрична валентність;
• позитивний і негативний заряд іонів (іонна валентність);
• протони (катіони водню) як носії позитивного елементарного заряду;
• електрони як носії елементарного негативного заряду;
• ступінь окислення.

В обмінних реакціях число z відповідає сумі зарядів іонів, якими обмінюється з даною речовиною інший реагент.

• z(Al(OH)₃) = 1 + 1 + 1 = 3, число ОН 1- груп які приймають участь в реакції;
• f_eq(Al(OH)₃) = 1/3;
• z (H₂SO₄) = 1 + 1 = 2;
• кількість H + приймають участь у реакції; f_eq (H₂SO₄) = 1/2;
• z(Al₂(SO₄)₃) = 3 + 3 = 2 + 2 + 2 = 6; де 3 і 2 заряди іонів Al 3+ і SO₄ 2- ; f_eq(Al₂(SO₄)₃) = 1/6;
• z (H₂O) = 1; тому молекула води утворена іонами H + і ОН – ; f_eq (H₂ O) = 1/1.

А от наприклад в цій реакції:

як бачите, тільки один протон в молекулі сірчаної кислоти приймає участь в реакції, тому z для сірчаної кислоти в цій реакції дорівнює 1.

В окисно-відновних реакціях z окислювача (відновника) дорівнює числу електронів які приймає (віддає) одна формульна одиниця окислювача (відновника).

MnO₄ – + 5e – → Mn 2+ ; z (MnO₄ – ) = z (Mn 2+ ) = 5

2Cl – – 2e – → Cl₂; z (Cl – ) = 1, z (Cl₂) = 2

Як бачимо, фактор еквівалентності речовини позначає частку формульної одиниці речовини (або його кількості), яка бере участь в одиничному акті хімічної реакції – тобто в одиничному перегрупуванні атома або (і) електрона. Наприклад для MnO₄ – 1/5 є тією частиною цієї частки, яка приймає 1 електрон, а от для Cl – – фактор еквівалентності 1 / 1 = 1 тобто сам іон хлору бере участь в реакції перегрупування одного електрона – він віддає електрон. У першому випадку, говорять про частку, частину групи MnO₄ – , мається на увазі умовна її частина, тому що MnO₄ – не можна розділяти на частини практично, бо в такому випадку ця група вже не буде мати притаманні їй хімічні властивості. Cl – – навпаки, являє собою реальну частку, іон.

Еквівалент – це реальна або умовна частка, яка в хімічних реакціях здатна приймати або віддавати одиничний позитивний (протон) або одиничний негативний (електрон) заряд.

Тепер стає зрозумілою суть закону еквівалентів: елементарний акт хімічної реакції полягає в перегрупуванні і обміні атомами і електронами, що супроводжується зміною зарядів атомів, часток або частин формульної частинки речовини які приймають участь в одному такому елементарному хімічному акті і називається еквівалентом, тому один еквівалент однієї речовини буде взаємодіяти тільки з одним еквівалентом іншої речовини (або тієї ж самої речовини в реакціях розкладання і диспропорціонування) і в результаті утворюється один еквівалент нової речовини або декількох речовин. Закон еквівалентів:

речовини реагують і утворюються в еквівалентних кількостях

Цей закон вивели німецькі хіміки Вінцель і Ріхтер в 1793 р
У макромасштабі реакції протікають як взаємодія між різними кількостями речовин, у більшості випадків не рівними одна одній.

еквівалентні кількості речовини – завжди однакові в певній хімічній реакції

Кількість еквівалентів речовини прийнято позначати як n_eq моль еквівалент.
Масу одного моль еквівалентів речовини називають еквівалентна маса речовини, г/моль (або скорочено г/моль.)

M _eq = f_eq * M

Між величинами: маса речовини, кількість еквівалентів та еквівалентна маса дійсно таке співвідношення: