Вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных, строго определенных количественных соотношениях.
Эквивалентом называется условная или реальная частичка вещества, которая может замещать, отдавать, присоединять или другим способом взаимодействовать с одним атомом Н (или ионом Н+).
Например, эквивалентом фосфорной кислоты является условная частичка – 1/3Н3РО4 (одна третья часть молекулы Н3РО4). Но эквиваленты веществ могут быть разными: они зависят от особенностей реакции. Фосфорная кислота может иметь разные эквиваленты, потому что может вступать в разные химические реакции:
H3PO4 + 3KOH®K3PO4 + 3H2O, (1)
H3PO4 + 2KOH®K2HPO4 + 2H2O, (2)
H3PO4 + KOH®KH2PO4 + H2O. (3)
Видно, что в реакции (1) эквивалент фосфорной кислоты равен 1/3H3PO4, в реакции (2) – 1/2H3PO4, а в реакции (3) – 1H3PO4.
Эквиваленты элементов тоже могут быть разными, потому что они зависят от валентности элемента в веществе. Например, эквивалент серы S в сероводороде равен 1/2H2S, а персульфиде – 1H2S2.
Понятие «эквивалент» легко представить графически, если выделить из условной молекулы часть, которая соответствует атому водорода (рис. 2.2)
Рисунок 2.2 – Эквивалент и фактор эквивалентности:
Число, которое показывает, какая часть молекулы или другой частицы соответствует эквиваленту, называется фактором эквивалентности и обозначается fэ.
Фактор эквивалентности может иметь значения в пределах 0 < fэ < 1. Правила расчетов фактора эквивалентности приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1 – Расчеты фактора эквивалентности
Частичка
Фактор эквивалентности
Пример
Элемент
fэ = 1/В,
где В – валентность элемента
fэ(Р в P2O5) = 1/5;
fэ(С в СН4) = 1/4
Простое вещество
fэ = 1/ ч·В,
где В – валентность элемента; ч – число атомов элемента (индекс в химической формуле)
fэ(H2) = 1/(2·1) = 1/2; fэ(O2) = 1/(2·2) =
= 1/4;
fэ(Cl2) = 1/(2·1) = 1/2; fэ(O3) = 1/(3·2) =
= 1/6
Оксид
fэ = 1/ ч·В,
где В – валентность элемента; ч – число атомов элемента (индекс в химической формуле)
fэ(Cr2O3)=1/(2·3)=1/6; fэ(CrO) =1/(1·2)=1/2;
fэ(H2O) =1/(2·1)= 1/2; fэ(P2O5)=1/(2·5)=1/10
Кислота
fэ = 1/ч(H+),
где ч(H+) – число атомов H, которые замещаются в реакции (основность кислоты)
fэ(H2SO4) = 1/1 = 1 (если основность в реакции равна 1)
или fэ(H2SO4) = ? (если основность 2)
Основание
fэ = 1/ ч(ОН–),
где ч(ОН–) – число гидроксильных групп ОН–, которые замещаются в реакции (кислотность основания)
fэ(Cu(OH)2) = 1/1= 1 (если кислотность в реакции равна 1)
или fэ(Cu(OH)2) = ? (если кислотность 2)
Соль
fэ = 1/ ч(Me)·B(Me) = 1/ ч(An)·В(An),
где ч(Ме) – число атомов металла, которые замещаются в реакции; B(Me) – валентность металла; ч(An) – количество замещенных кислотных остатков;·В(An) – валентность кислотного остатка (или его заряд по абсолютной величине)
fЭ(Cr2(SO4)3) = 1/(2·3) = 1/6
(расчет по металлу)
или
fэ(Cr2(SO4)3) = 1/(3·2) = 1/6
(расчет по кислотному остатку)
Ион
fэ = 1/|z|(ОН–),
где |z| – заряд иона по абсолютной величине
fэ(SO42–) = 1/2;
fэ(TiO22+) = 1/2
Для характеристики эквивалента используют величины:
эквивалентная масса mэкв (более точное название mэкв – молярная масса эквивалента);
количество эквивалентов nэкв.
Эквивалентная масса элемента (или молярная масса эквивалента) – это масса одного моль (6,02·1023) эквивалентов.
Эквивалентная масса mэкв определяется отношением молярной массы к валентности элемента или произведением молярной массы на фактор эквивалентности:
mэкв = М(Х) / В,
mэкв = fэ·М(Х),
где mэкв(Х) – эквивалентная масса элемента; В – валентность элемента, М(Х) – молярная масса элемента; fэ(Х) – фактор эквивалентности.
Для веществ в газообразном состоянии удобнее пользоваться понятием эквивалентный объем Vэкв (точнее – молярный объем эквивалента), который рассчитывают по формуле
Vэкв.газа = VМ /ч·В,
где VМ – молярный объем газа (при н.у. VМ=22,4 л/моль); ч – число атомов элемента; В – валентность. Например:
Количество эквивалентов nэкв – это число эквивалентов, которое определяется отношением массы вещества к молярной массе или отношением объема газа к молярному объему:
nэкв = mвещества/mэкв,
nэкв = Vгаза/Vэкв.газа.
Молярная масса эквивалента mэкв (эквивалентная масса) имеет размерность [г/моль], молярный объем эквивалента газа Vэкв.газа – [л/моль], а количество эквивалентов nэкв – [моль], (иногда [моль-экв]).
1 Моль эквивалентов – это такое количество вещества, которое взаимодействует без остатка с 1 моль эквивалентов атомов Н или в общем случае – с 1 моль любого вещества. 1 моль эквивалентов содержит 6,02·1023 эквивалентов вещества.
Пример 2.1. Определите фактор эквивалентности и эквивалентную массу азота N в таких соединениях: а) NH3; б) NO2; в) N2O5; г) N2O.
Эквивалентная масса кислоты равна отношению ее молярной массы М к основности – количеству атомов Н, которые замещаются атомами металла:
mэкв.кислоты = M(кислоты) / основность,
например: mэкв(Н2СО3) = 62/2 = 31 г/моль.
Эквивалентная масса основания равна отношению его молярной массы М к кислотности:
mэкв.основания = M(основания) /кислотность,
например: mэкв(Fe(OH)3) = 107/3 = 35,7 г/моль.
Нужно помнить, что кислотность основания определяется количеством гидроксильных групп ОН, которые могут замещаться кислотным остатком. Так, NaOH, KOH, LiOH – однокислотные, Ca(OH)2, Fe(OH)2, Cu(ОН)2 – двухкислотные, Ni(OH)3, Bi(OH)3, Fe(OH)3 – трехкислотные основания.
Эквивалентная масса соли равна отношению ее молярной массы М к произведению валентности В металла на количество его атомов ч:
Эквивалентная масса так же, как и фактор эквивалентности, может изменяться в зависимости от того, в какую реакцию вступает вещество. Например, гидроксид алюминия Al(OH)3 в реакциях с хлороводородной кислотой может иметь разные значения fэ и mэкв:
вещества взаимодействуют между собой в количествах, пропорциональных их химическим эквивалентам.
Отсюда следует, что для любых веществ в реакции (реагентов и/или продуктов) справедливо равенство
nекв1 = nекв2.
Подставляя вместо nекв их значения, получим еще одно выражение закона эквивалентов:
mвещества1/mэкв1 = mвещества2/mэкв2,
или на основании правила пропорций
mэкв1/mэкв2 = mвещества1/mвещества2.
Если одно или оба вещества находятся в газообразном состоянии, то пользуются таким уравнением закона эквивалентов:
mвещества1/mэкв1 = Vгаза2/Vэкв.газа2,
Vгаза1/Vэкв.газа1 = Vгаза2/Vэкв.газа2.
Пример 2.2. Из оксида двухвалентного металла массой 0,54 г получено 1,26 г нитрата этого металла. Определите металл, рассчитайте эквивалентные массы оксида и нитрата.
Дано:
Решение:
m(МеО) = 0,54г
Обозначим двухвалентный металл символом Ме,
m(Me(NO3)2) = 1,26г
тогда формулы оксида и нитрата будут:
В(Ме) = 2
MeO и Me(NO3)2.
mэкв(МеО) – ?
mэкв(Me(NO3)2) – ?
Ме – ?
По закону эквивалентов запишем равенство:
Но эквивалентная масса сложного веществ равна сумме эквивалентных масс составных частей:
Но молярная масса элемента численно равна относительной атомной массе этого элемента, поэтому Ar(Х)=65 а.е.м. По величине Ar в периодической системе элементов определяем металл: это цинк Ar(Zn)=65.
Пример 2.3. При взаимодействии 1,215 г двухвалентного металла с серной кислотой выделилось 1,12 л водорода (н.у.). Рассчитайте молярную массу эквивалента металла и назовите его.
Дано:
Решение:
m(Ме) = 1,215г
V(H2)=1,12л (н.у.)
В(Ме) =2
Запишем выражение закона эквивалентов:
mэкв(Ме) – ? Ме – ?
откуда находим эквивалентную массу металла:
Рассчитаем молярную массу металла:
М(Ме) = mэкв (Ме) · В= 12,15 · 2 = 22,3 г/моль.
Молярная масса металла численно совпадает с относительной атомной массой, поэтому ищем в периодической таблице элементов металл с Ar=24,3. Это магний Mg.
Ответ: металл – Mg, эквивалентная масса металла mэкв(Mg)=12,15 г/моль.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
(в) пределах
(у) межах
within, within the limits
au sein de
?? ????
бинарный
бінарний
binary, binomial
binaire
?????
зависимость
залежність
relation, dependence
dependance
?????
кислотность основания
кислотність основи
acidity of base
acidite de base
?????
оксид
оксид
oxide
oxide
??????
определенный
певний
certain, definite
основание
основа
base
base
?????
основность кислоты
основність кислоти
basicity of acid
basite de acide
????????
остаток
залишок
residuum, remainder, rest
r?didus
?????
отношение
відношення
relation, ratio
r?lation
?????
реальный
реальний
real, practical
r?el
?????
совпадать
збігатися
coincide (with), be congruent
correspondre
?????
соответствовать
відповідати
correspond (to/with)
correspondre
??????
соотношение
співвідношення
correlation
corr?lation
????
условный
умовний
conditional
conditionnel
?????
эквивалент
еквівалент
equivalent
equivalence
?????
эквивалентная масса
еквівалентна маса
Equivalent weight
masse ?quivalente
?????? ????????
Обратите внимание!
1) что определяет что
Число гидроксильных групп в молекуле основания определяет его кислотность.
2) что изменяется в зависимости от чего
Эквивалент может изменяться в зависимости от того, в какую реакцию вступает вещество.
Контрольные вопросы
Сформулируйте закон эквивалентов.
Что такое: а) эквивалент; б) фактор эквивалентности; в) эквивалентная масса?
Задания для самостоятельной работы
Рассчитайте фактор эквивалентности и эквивалентные массы марганца в таких соединениях: MnO, M2O3, MnO2, Mn2O7, MnO3.
Рассчитайте фактор эквивалентности и эквивалентные массы сложных соединений:
а) CrO3, Cr2(SO4)3, Cr(OH)3, Cr2O3, Cr(NO3)2,
б) NO, NO2, HNO3, Fe(NO3)3,
в) Fe2O3, FeO, Fe(OH)3, FeSO4.
Расставьте коэффициенты и рассчитайте фактор эквивалентности и эквивалентные массы мышьяковой кислоты H3AsO4 в реакциях:
а) H3AsO4 + KOH K3AsO4 + H2O;
б) H3AsO4 + KOH K2HAsO4 + H2O;
в) H3AsO4 + KOH KH2AsO4 + H2O.
Расставьте коэффициенты и согласно закону эквивалентов рассчитайте объемы газов по заданным массам реагентов:
K3AsO4 + H2O;