ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА И СЛОЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Цельработы

Освоить методику экспериментального определения эквивалента простых и сложных веществ.

Краткиетеоретическиесведения

Эквивалент элемента. Эквивалент Э – условная химическая единица, в Z раз меньшая соответствующей формульной единицы ФЕ вещества, участвующего в реакции. Под формульной единицей понимается химическая формула вещества. Для реакции

2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O

Формульное количество	2 моль	3 моль	1 моль	6 моль
Эквивалентное количество	6 моль	6 моль	6 моль	6 моль
Эквивалентное число Z	3	2	6	1
Фактор эквивалентности f = 1/Z	1/3	1/2	1/6	1

Масса одного эквивалента вещества называется молярной массой эквивалента вещества Мэкв (размерность – г /моль):

	Ì ýêâ =	Ì	= f Ì ,	(2.1)
		Z

где М – молярная масса; f – фактор эквивалентности.

Между молярной массой эквивалента Мэкв, атомной массой А и стехиометрической валентностью элемента В существует зависимость:

Mэкв = АВ .

По этой формуле определяется теоретическое значение молярной массы эквивалента элемента. Например:

Мэкв(Zn) = 65,42 =32,7 г/моль; Мэкв(Al) = 273 =9 г/моль.

Эквивалент может быть также определен как количество вещества,

равноценное в химической реакции одному молю атомов водорода или одному молю электронов.

Химия. Лаб. практикум

-21-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Краткие теоретические сведения

Один из основных законов химии – закон эквивалентов: химические элементы взаимодействуют между собой в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Например, 1,008 г/моль водорода соединяется с 8 г/моль кислорода или 35,5 г/моль хлора, или с 23 г/моль натрия; 2,016 г/моль водорода соединяютсяс16 г/молькислородаили71 г/мольхлора, или46 г/мольнатрияит.д.

Закону эквивалентов можно придать математическое выражение

m1	=	Ì ýêâ(1)	,	(2.2)
m2
		Mýêâ(2)

где m1, m2 – масса первого и второго вещества; Mэкв(1), Mэкв(2) – молярные массы эквивалентов первого и второго вещества.

Например, если известно, что 1,44 г металла образуют 2,72 г оксида, то молярную массу эквивалента этого металла вычисляют следующим образом. Масса металла m1 равна 1,44 г, масса кислорода m2 равна 2,72 – 1,44 = 1,28 г, молярная масса эквивалента кислорода равен 8. Отсюда молярная масса эквивалента металла Mэкв (1) = 1,44 8/1,28 = 9 г/моль.

Методыопределениямолярныхмассэквивалентов

Экспериментальное определение молярных масс эквивалентов элементов может быть проведено различными методами.

a) Метод прямого определения. Находят массовое количество элемента, соединяющееся с 1,008 г/ моль водорода или с 8 г/моль кислорода.

П р и м е р. При окислении 8,71 г металла получено 9,71 г оксида. Молярная масса эквивалента металла определяется из простого соотношения:

на 8,71 г металла пошло (9,71 – 8,71) г кислорода; на Х (Мэкв г/ моль) пошло 8 г/моль О2;

	Ì ýêâ =	8,71 8		=69,68 г/моль.
		9,71−8,71

б) Аналитический метод. Молярная масса эквивалента определяется по данным анализа, когда известен количественный состав соединения данного элемента с другим элементом, молярная масса эквивалента которого известна.

П р и м е р. Для нахождения молярной массы химического эквивалента золота, которое непосредственно с водородом и кислородом не соединяется и не вытесняет водород из кислот, можно воспользоваться результатами анализа его соединения с хлором – хлорида золота (III) AuCl3. Опыт показывает, что при образовании этого соединения 197 г/моль золота взаимодействуют

Химия. Лаб. практикум

-22-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Краткие теоретические сведения

со 106,5 г/моль хлора. Молярная масса эквивалента хлора равна 35,5 г/моль. Отсюда молярная масса эквивалента золота

Ì ýêâ(Au) =	197 35,5	=65,7 г/моль.
	106,5

в) Метод вытеснения. Этот метод применим к металлам, взаимодействующим с кислотами или гидроксидами щелочных металлов с выделением водорода. В этом случае находят количество металла, вытеснившего 1 моль атомов водорода или 11,2 л водорода при нормальных условиях.

г) Электрохимический метод. Молярные массы химических эквивалентов элементов определяются на основе закона Фарадея, согласно которому 96500 Кл электричества выделяют из электролита одну молярную массу эквивалента вещества.

П р и м е р. Ток в 1 А в течение 193000 с выделил 18 г алюминия из раствора его соли. Эквивалент алюминия вычисляется из соотношения

в течение 193000 с выделилось 18 г Al;

при пропускании 96 500 Кл выделилось Х (Мэкв);

Ì ýêâ =1819300096500 =9 г/моль.

Методвытесненияводорода(объемныйметод)

В данной работе для определения молярной массы эквивалента металла будем пользоваться наиболее простым и доступным методом, основанным на измерении объема водорода при реакции вытеснения его из раствора соляной кислоты.

Me + nHCl = MeCln + n2 H2

Согласно закону эквивалентов, один эквивалент металла вытесняет один эквивалент водорода, имеющий молярную массу эквивалента 1 г/моль.

Используя закон Авогадро, можно определить объем, который занимает один эквивалент водорода при определенных физических условиях. При нор-

мальных физических условиях (p = 1,013·105 Па или p		7 60 мм рт. ст.,
Т =	298 К) 1 моль водорода, имеющий массу 2 г/моль,	занимает объем
V =	22,4 л, тогда 1 моль эквивалента водорода, имеющий массу 1 г/моль,

должен занимать объем Vэкв = 11,2 л.

В данной работе измеряют объем водорода и приводят его к нормальным условиям. Пусть навеска металла m г вытеснила V0 водорода при нормальных условиях. Тогда эквивалент определится из пропорции:

m г вытесняют V0 H2 при н.у.;

Химия. Лаб. практикум

-23-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Краткие теоретические сведения

Х (Mэкв г/моль) вытесняют 11,2 л Н2;

Ì ýêâ = m 11,2 г/моль. V0

Для приведения объема вытесненного водорода к нормальным условиям пользуются формулой объединенного закона Бойля–Мариотта и Гей– Люссака:

	ð0V0		= pV	,		(2.3)
		T
			T
0
откуда
V0 =		(p −pâ ) VT0			.	(2.4)
			p0T

Здесь p0, V0 и T0 – соответственно, давление, объем и температура газа при нормальных условиях.

Пример расчета эквивалентов веществ

1) Рассчитать эквивалент железа в реакциях:

а) Fe + H2SO4(разб) = FeSO4 + H2;

б) 2Fe + 6 H2SO4(конц) = Fe2(SO4)3 +3SO2 + 6H2O.

Для реакции (a) Fe – 2ē = Fe2+ и эквивалентное число Z = 2. Эквивалент железа равен Э = 0,5ФE, молярная масса эквивалента железа равна

Ì ýêâ =	1	Ì =55,85: 2 = 27,925 г/моль.
	2

Для реакции (б) Fe – 3ē = Fe3+ и эквивалентное число Z = 3. Эквивалент железа равен Э = 13 ФE, молярная масса эквивалента железа равна Mэкв =

= 13 M = 55,85: 3 = 18,617 г/моль, где М – молярная масса железа.

Эквивалентсложноговещества

Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое в данной реакции реагирует без остатка с 8 г кислорода, 1,008 г водорода или с эквивалентом другого вещества.

Эквивалент сложного вещества определяется реакцией, в которой участвует вещество. Поэтому он не является постоянной величиной (как, например, молекулярная масса) и может иметь различные значения. Поясним это на примере взаимодействия фосфорной кислоты со щелочью. В реакции

H3PO4 + NaOH = NaHPO4 + H2O

Химия. Лаб. практикум

-24-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Краткие теоретические сведения

молекула кислоты реагирует с одной молекулой NaOH, что соответствует одному эквиваленту водорода. Поэтому эквивалент кислоты равен ее молекулярной массе: ÝH3PO4 =1 ФЕ. Молярная масса эквивалента кислоты равна

Мэкв = М = 98 г/моль.

В реакции H3PO4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O молекула кислоты соответствует двум эквивалентам водорода (или двум эквивалентам щелочи). Эквивалентное число Z равно 2. Поэтому ÝH3PO4 =1/2 ФЕ.

Молярная масса эквивалента кислоты Мэкв = М / 2 = 98 / 2 = 49 г/моль. В реакции H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O эквивалентное число Z равно 3, поэтому Э = 1/3 ФЕ. Молярная масса эквивалента кислоты равна

Mýêâ(H3PO4 ) =М / 3 = 98 / 3 ≈ 32,7 г/моль.

Молярная масса эквивалента кислоты (гидроксида) равна ее (его) молекулярной массе, деленной на количество атомов водорода (для гидроксида на количество OH–-групп), замещенными в данной реакции другими атомами или ионами.

Например,

	Ì ýêâ(H SO ) =		MH2SO4	=	98	=49 г/моль.
			2
	2	4			2

Молярная масса эквивалента соли равна ее молекулярной массе, деленной на количество атомов металла в составе соли и на валентность этого металла. Например,

	Ì ýêâ(Al	(SO	) ) =	Ì Al2 (SO4 )3	=	342	=57г/моль.
				2 3
	2	4	3			6

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 Определениемолярноймассыэквивалентацинка

Опыт проводится на приборе, изображенном на рис. 2.1. Прибор состоит из штатива 1, на котором закреплены бюретки 2 и 3, соединенные шлангом. Бюретки имеют поперечное сечение, равное 1 см2, и градуированы с точностью 0,1 см, причем нулевая отметка находится в верхней части бюретки. К бюретке 3 при помощи стеклянных трубок, соединенных резиновым шлангом 4, присоединена пробирка 5 с отводной трубкой 6. Бюретки заполнены водой, пробирка 5 – концентрированной соляной кислотой. В отводную трубку помещают образец металла с известной массой и, переводя пробирку из положения 6 в положение 7, сбрасывают металл в кислоту. При взаимодействии металла с кислотой в пробирке 5 выделяется водород, который, по-

Химия. Лаб. практикум

-25-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Экспериментальная часть

ступая в бюретку 3, вытесняет воду из нее в бюретку 2. Измерения проводят при одинаковом положении уровней воды в обеих бюретках, что определяет одинаковое давление.

Рис. 2.1. Прибор для определения эквивалента цинка объемным методом: 1 – штатив; 2, 3 – бюретки с водой; 4 – соединительная трубка; 5 – рабочая пробирка; 6, 7

– поло-

жения рабочей пробирки 5

Перед началом опыта бюретки должны находиться в таком положении относительно друг друга, чтобы уровень воды в них был примерно на середине шкалы отсчета. Отводную трубку 6 и закрывающую ее пробку перед началом опыта насухо вытирают фильтровальной бумагой, после чего в нее помещают полученный образец металла с известной массой m. Трубку плотно закрывают пробкой, осторожно ввинчивая ее. Прибор проверяют на герметичность. Для этого медленно поднимают или опускают бюретку 2, наблюдая за колебаниями уровня воды в бюретке. Если прибор не герметичен, то уровни в обеих бюретках будет выравниваться. В этом случае нужно проверить положение всех пробок и снова проверить прибор.

После проверки прибора на герметичность уравнивают положение воды в обеих бюретках и отмечают положение уровня в бюретке 3 по нижнему мениску, записывая его значение по градуировочной шкале h1 c точностью 0,1 см. После чего осторожно сбрасывают металл в кислоту, переводя пробирку 5 из положения 6 в положение 7. По мере понижения уровня воды в бюретке 3 опускают бюретку 2, следя за тем, чтобы уровни в обеих бюретках были приблизительно на одной высоте, что определяет равенство давлений в них.

По окончании растворения металла точно выравнивают положение уровней в обеих бюретках и записывают положение уровня в бюретке 3 по шкале h2 с той же точностью. Объем выделившегося водорода V в реакции:

M + nHCl = MCln + n2 H2

равняется разности уровней V = h1 – h2, имеет размерность см3 и относится к атмосферным условиям (p,T) проведения опыта.

Эквивалент металла Эмет, имеющий молярную массу Мэкв вытесняет эквивалент водорода ÝH2 , который при нормальных условиях занимает объ-

Химия. Лаб. практикум

-26-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Экспериментальная часть

ем Vэкв = 11200 см3, а используемая в опыте масса металла m вытесняет объем водорода V0, пересчитанного на нормальные условия. В соответствии с законом эквивалентов, это можно представить в виде уравнения (2.5):

Ì ýêâ	=	Výêâ	.	(2.5)
m
		V
		0

Измеренный объем водорода при атмосферных условиях (p, T) пересчитывается на нормальные условия по уравнению Клапейрона:

	ð0V0	=	pV	,	(2.6)
	T		T
	0

p0, V0, T0 относятся к нормальным условиям, а p, V, T – к условиям проведения опыта. Давление p газов в бюретке 3 в соответствии с законом Дальтона будет равно будет равно сумме парциальных давлений воздуха pвозд, водорода pН и насыщенного водяного пара pпар:

p = pвозд + pН + pпар.

(2.7)

При одинаковом положении уровней воды в обеих бюретках давление pатм = pвозд + pН в бюретке (3) будет меньше атмосферного на величину давления насыщенного водяного пара, которое зависит только от температуры (табл. 2.1):

p = pатм – pпар.

(2.8)

Подставляем в уравнение (2.5) выражение V0из уравнения (2.6). Получаем уравнение для расчета молярной массы эквивалента металла Мэкв:

Mýêâ =	m Výêâ	=	m Výêâ p0 T	.	(2.9)
	V0
			p V T0

В журнал записывают температуру, атмосферное давление по барометру, давление водяного пара (табл. 2.1).

							Таблица 2.1
	t, оC		мм рт. ст.	Па	t, оC	мм рт.ст.	Па
	15		1705,1	12,79	22	2643,7	19,83
	16		1817,1	13,63	23	2809,0	21,07
	17		1947,1	14,53	24	2983,7	22,38
	18		2063,8	15,48	25	3167,2	23,76
	19		2197,1	16,48	26	3361,0	25,21
	20		2337,8	17,53	27	3564,9	26,74
	21		2486,4	18,65	28	3779,6	28,35
		Химия. Лаб. практикум					-27-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Экспериментальная часть

Преобразуем уравнение (2.9), подставив известные численные дан-

ные:

	Ì		ýêâ =	m 11200 p0 (273 +t)		=	m	K ,	(2.10)
				(pàòì −pï àð ) V 273			V
где	11200 (273 + t) p
K =			0		.				(2.11)
			273 (pàòì −pï àð )

Коэффициент К зависит только от условий опыта (p,T) и размерности давления. Так как этот коэффициент не зависит от массы металла, то его можно рассчитать заранее и использовать при повторных измерениях.

После расчета молярной массы эквивалента металла по уравнению (2.10) рассчитывается молярная масса металла для значения валентности Z, равного 2 по уравнению

М = Мэкв·Z.

(2.12)

Затемрассчитываетсяотносительнаяпогрешностьопытапоуравнению

Ì =	Ì ýêâ(ýêñï )Ì ýêâ(òåî ð)	100% ,	(2.13)
	Ì ýêâ(òåî ð)

где Мэкв (экспер) – молярная масса эквивалента металла, рассчитанная из опытных данных по уравнению (6); Мэкв (теор) – теоретическая молярная масса эк-

вивалента металла, рассчитанная по уравнению (2.12). Записать данные опыта:

Вес цинка, г.

Атмосферное давление, мм рт. ст. Температура, 0С.

Объем воды в стакане до опыта, л. Объем воды в стакане после опыта, л. Объем водорода в условиях опыта ,л.

Объем водорода при нормальных условиях, л. Эквивалентный вес металла, г.

Величина ошибки определения эквивалентного веса, %.

Опыт 2 Определениеэквивалентакарбонатанатрия

Для определения эквивалента карбоната натрия проводят реакцию

Na2CO3 +2HCl = 2NaCl + CO2↑ + H2O

Опыт выполняют в следующем порядке: наполните кристаллизатор 1 (рис. 2.2) на половину его объема насыщенным раствором поваренной соли,

Химия. Лаб. практикум

-28-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Экспериментальная часть

в котором растворимость диоксида углерода меньше, чем в воде. Тем же раствором наполните вровень с краями мерный цилиндр 2 вместимостью 100 мл и закройте его стеклянной пластинкой, надвигая последнюю скользящим движением.

Рис. 2.2. Прибор для определения молярной массы эквивалента карбоната натрия: 1 – кристаллизатор; 2 – мерный цилиндр; 3 – колба круглодонная; 4 – газоотводная трубка; 5 – штатив

Переверните цилиндр вверх дном и опустите в кристаллизатор. Удалите под раствором стеклянную пластинку и закрепите цилиндр в лапке штатива так, чтобы края цилиндра были ниже уровня раствора в кристаллизаторе, следя за тем, чтобы в цилиндр не попал воздух. В колбочку вместимостью 50 мл налейте 8–10 мл 2 н. раствора хлороводородной (соляной) кислоты, вытрите горло колбы фильтровальной бумагой и закрепите ее в штативе в горизонтальном положении. Навеску соли (~0,3–0,4 г) карбоната натрия поместить осторожно в горло колбы таким образом, чтобы кристаллы не могли преждевременно упасть в кислоту, плотно закройте колбу пробкой с газоотводной трубкой и подведите открытый изогнутый конец трубки под цилиндр.

Выньте колбу из штатива и медленно, чтобы не происходило очень бурного выделения диоксида углерода, пересыпьте карбонат натрия небольшими порциями в кислоту аккуратными наклонами колбы. В конце опыта стряхнуть остатки кристаллов в колбу. По окончании выделения газа вновь закрепите колбу в штативе. Измерьте в цилиндре объем выделившегося диоксида углерода и с помощью миллиметровой линейки измерьте расстояние L от уровня воды в кристаллизаторе до уровня воды в цилиндре.

Запишите данные опыта: Mасса карбоната натрия m, г.

Объем выделившегося диоксида углерода V, мл.

Расстояние от уровня воды в кристаллизаторе до уровня воды в цилиндре l, мм.

Температура опыта, 0С. Атмосферное давление, p.

Химия. Лаб. практикум

-29-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Экспериментальная часть

По уравнению Менделеева–Клапейрона
p	CO2	V =	m	RT	(2.14)
			M

вычислите массу m диоксида углерода. Для определения давления рСО2 сле-

дует из атмосферного давления p вычесть давление столба жидкости pр-ра и вычислить по формуле

p	ð−ðà	=	ρð−ðà	l .	(2.15)
			ρ
			Hg

Плотность насыщенного раствора хлорида натрия ρр-ра = 1,20 г/см3, плотность ртути сHg = 13,60 г/ см3. Парциальным давлением водяного пара ввиду его малого значения в насыщенном растворе поваренной соли в данном опыте можно пренебречь.

Таким образом,

pCO	= p −pð−ðà .	(2.16)
	2

Зная, что эквивалент кислотного оксида CO2 в реакции нейтрализации, протекающей с образованием Na2CO3, равен половине массы его моля, и применяя закон эквивалентов

Ý		mNa		CO	3
Na2CO3	=		2			,	(2.17)
Ý		m	CO2
CO2

вычислите молярную массу эквивалента Na2CO3. Найдите абсолютную и относительную погрешность измерения.

Контрольныевопросыизадачи

1.Сколько оксида получится при окислении 3 г металла, молярная масса эквивалента которого равна 9 г? (Ответ: 5,7 г.)

2.Определите молярные массы эквивалентов кислот и оснований в следующих реакциях:

а) HNO3 + Bi(OH)3 = Bi(OH)2NO3 + H2O

б) H2S + NaOH = NaHS + H2O

в) 3H2SO4 + 2Al(OH)3 = Al2(SO4)3 + 6H2O

г) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

Химия. Лаб. практикум

-30-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТОВ ЭЛЕМЕНТА

Контрольные вопросы и задачи

д) 2HCl + Bi(OH)3 = BiOHCl2 + 2H2O

е) 3Ca(OH)2 + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6H2O

3. Какие объемы занимают при нормальных условиях массы одного эквивалента кислорода и одного эквивалента водорода? (Ответ: VO2 = 5,6 л;

VH2 = 11,2 л.)

4.Определите молярную массу эквивалента металла, если 0,046 г его

вытеснили из кислоты 62,35 мл водорода, собранного над водой при температуре 17 оС и давлении 1,017 ·105 Па. Давление водяного пара при 17 оС

равно 0,193 ·105 Па. (Ответ: 88,9 г.)

5.Вычислите эквивалент и молярную массу эквивалента H3PO4 в реакциях образования: a) гидрофосфата; б) дигидрофосфата; в) ортофосфата.

6.При взаимодействии 3,24 г трехвалентного металла с кислотой выделяется 4,03 л водорода (н. у.). Вычислите молярную массу эквивалента, мольную массу и атомную массу металла.

7.При соединении 5,6 г железа с серой образовалось 8,8 г сульфида

железа. Найдите эквивалентную массу железа ЭFe, если известно, что молярная масса эквивалента серы равна 16 г/ моль. (Ответ: 28 г/моль.)

8.Некоторое количество металла, молярная масса эквивалента которого равна 28 г/моль, вытесняет из кислоты 0,7 г водорода, измеренного при нормальных условиях. Определите массу металла. (Ответ: 1,76 г.)

9.Определите молярные массы эквивалентов элементов в соединени-

ях HBr, H2O и NH3.

10.При сгорании трехвалентного металла в количестве 23,48 г было получено 44,40 г его оксида. Какой металл был сожжен? Определите молярную массу эквивалента оксида.

Химия. Лаб. практикум

-31-