Методические указания к занятию № 2

Тема: Химический эквивалент. Закон эквивалентов.

Цель: Сформировать знания о химическом эквиваленте в кислотно-основных и окислительно-восстановительных реакциях.

Исходный уровень:

1. Основные понятия химии: молярная масса вещества, химическое количество вещества.

2. Количественные характеристики растворов: массовая доля, молярная концентрация.

Вопросы для обсуждения:

1. Способы выражения состава раствора.

2. Химический эквивалент вещества в кислотно-основных реакциях; фактор эквивалентности.

3. Химический эквивалент вещества в окислительно-восстановительных реакциях; фактор эквивалентности.

4. Молярная масса эквивалента, количество вещества эквивалента.

5. Молярная концентрация химического эквивалента вещества.

6. Закон эквивалентов, его использование в объемном анализе.

Рекомендуемая литература для подготовки:

1. Барковский Е.В. и др. Введение в химию биогенных элементов и химический анализ. Минск. «Высшая школа». 1997 с. 85-92.

2. Болтромеюк В.В. Общая химия. Гродно: ГГМУ, 2009. ст. 82-85.

3. Болтромеюк В.В. Физическая и коллоидная химия. Общая химия. Гродно: ГГМУ, 2010. ст.82-85

4. Бабков А.В. и др. Практикум по общей химии с основами количественного анализа. М., Высшая школа. 1978, § 18, с. 77-79.

Информационная часть занятия

Химический эквивалент

Химическим эквивалентом называется условная или реальная частица вещества Х, которая в данной химической реакции отдаёт или присоединяет элементарный электрический заряд (без учёта его знака) или каким-то другим образом соответствует ему.

В зависимости от природы носителя электрического заряда, которым исходные вещества обмениваются друг с другом, все химические реакции делятся на 2 типа: реакции ионного обмена (исходные вещества обмениваются ионами) и окислительно-восстановительные реакции (исходные вещества обмениваются электронами).

В роли химического эквивалента может выступать молекула (формульная единица), атом или ион вещества. В этом случае эквивалент является реально существующей частицей. Но часто он представляет собой условную частицу, которая в целое число раз меньше молекулы (формульной единицы), атома или иона вещества.

Одно и то же вещество Х может иметь несколько химических эквивалентов. Определить, что именно представляет собой химический эквивалент Х (реальную частицу или какую-то часть её), можно только, исходя из конкретной химической реакции, в которой это вещество участвует.

Число, показывающее, какую часть реальной частицы вещества Х составляет его химический эквивалент, называется иначе фактором эквивалентности и обозначаетсяf_экв.(Х). Фактор эквивалентности вещества определяется по формуле

и является безразмерной величиной.

Для вещества, участвующего в реакции ионного обмена, z равно произведению числа ионов, отдаваемых или присоединяемых одной его молекулой(формульной единицей), на абсолютную величину заряда одного такого иона.

Таким образом, в реакциях ионного обмена для кислоты фактор эквивалентности является величиной, обратной числу ионов Н⁺, замещённых в её молекуле на ионы металла или NH₄⁺.

У одноосновных кислот (HCl, HNO₃, и т.д.) фактор эквивалентности всегда равен единице. Для многоосновных кислот (H₃PO_4, H₂S и т.д.) он может принимать несколько значений.

Для основания в реакциях ионного обмена фактор эквивалентности является величиной, обратной числу ионов ОН^-, замещённых в его формульной единице на кислотные остатки.

У однокислотных оснований (КОН, NaOH и т.д.) фактор

эквивалентности всегда равен единице. Многокислотные основания (Al(OH)₃, Ba(OH)₂ и т.д.) могут иметь несколько значений фактора эквивалентности.

Для соли фактор эквивалентности является величиной, обратной произведению числа ионов металла (NH₄⁺), содержащихся в её формульной единице, на заряд одного такого иона.

Поясним вышесказанное на примере следующих реакций:

1. H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂O

f_экв.( H₃PO₄) = f_экв.( KOH)

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны, соответственно:

[f_экв.( H₃PO₄) H₃PO₄] = 1/3 H₃PO₄ (составляет 1/3 часть молекулы);

[f_экв.(KOH) KOH] = KOH (совпадает с формульной единицей вещества).

В реакции на одну молекулу Н₃РО₄ приходится три формульных единицы КОН, но на 1·3 = 3 химических эквивалента Н₃РО₄ приходится такое же количество химических эквивалентов

(3·1= 3) КОН.

2. H₃PO₄ + Ca(OH)₂ = CaHPO₄ + 2H₂O

f_экв.( H₃PO₄) = f_экв.( Ca(OH)₂) =

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны, соответственно:

[f_экв.( H₃PO₄) H₃PO₄] = H₃PO₄ (составляет 1/2 часть молекулы);

[f_экв.(Ca(OH)₂)Ca(OH)₂] =Ca(OH)₂ (составляет 1/2 часть

формульной единицы).

В реакции на одну молекулу Н₃РО₄ приходится одна формульная единица Ca(OH)₂, но на 1·2 =2 химических эквивалента Н₃РО₄ приходится такое же количество химических эквивалентов

( 1·2=2) Ca(OH)₂.

3. Al(OH)₃ + 2HCl = AlOHCl₂ + 2H₂O

f_экв.(Al(OH)₃) = f_экв.( HCl)=

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны соответственно:

[f_экв.(Al(OH)₃)Al(OH)₃] = Al(OH)₃ (составляет 1/2 часть

формульной единицы);

[f_экв.(HCl) HCl] = HCl (совпадает с молекулой вещества).

В реакции на одну формульную единицу Al(OH)₃ приходится две молекулы HCl, но на 1·2=2 химических эквивалента Al(OH)₃ приходится такое же количество химических эквивалентов (1· 2=2)HCl.

4. Al₂(SO₄)₃ + 3BaCl₂ = 3BaSO₄↓ + 2AlCl₃

f_экв.(Al₂(SO₄)₃) =f_экв.( BaCl₂) =

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны, соответственно:

[f_экв.(Al₂(SO₄)₃)Al₂(SO₄)₃] = Al₂(SO₄)₃ (составляет 1/6 часть формульной единицы);

[f_экв.( BaCl₂) BaCl₂] =BaCl₂ (составляет 1/2 часть формульной единицы).

В реакции на одну формульную единицу Al₂(SO₄)₃ приходятся три формульных единицы BaCl₂, но на 1·6=6 химических эквивалентов Al₂(SO₄)₃ приходится такое же количество химических эквивалентов (3·2=6) BaCl₂.

Для вещества Х, участвующего в окислительно-восстановительной реакции (ОВР), z является величиной, равной числу электронов, которые одна его молекула (формульная единица) присоединяет (если Х является окислителем) или отдаёт (если Х является восстановителем) в ходе реакции.

Например, в реакциях:

1) 3H₂S^-2 + 2 HN⁺⁵ O₃ = 3S⁰ + 2N⁺² O + 4 H₂O

_{восстановитель окислитель}

S^-2 - 2ē = S⁰ 2 3

6

N⁺⁵ + 3ē = N⁺² 3 2

f_экв.( H₂S)= ; f_экв.( HNO₃ )=.

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны, соответственно:

f_экв.(H₂S)H₂S =H₂S (составляет 1/2 часть молекулы),

f_экв.(HNO₃)HNO₃=HNO₃( составляет 1/3 часть молекулы).

В реакции на три молекулы H₂S приходится две молекулы HNO₃, но на 3·2=6 химических эквивалентов H₂S приходится такое же количество химических эквивалентов (2·3=6) HNO₃.

2)5H₂C₂⁺³O₄+2KMn⁺⁷O₄+3Н₂SО₄=10C⁺⁴O₂+K₂SO₄+ 2Mn⁺²SO₄ +8H₂O

_{восстановитель окислитель}

2С⁺³ - 2ē = 2С⁺⁴ 2 5

10

Mn⁺⁷ + 5ē = Mn⁺² 5 2

f_экв.( H₂C₂O₄ )= ;f_экв.( KMnO₄ ) = .

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны, соответственно:

f_экв.(H₂C₂O₄)H₂C₂O₄= H₂C₂O₄ (составляет 1/2 часть молекулы);

f_экв.(KMnO₄)KMnO₄ = KMnO₄ (составляет 1/5 часть формульной единицы).

В реакции на пять молекул H₂C₂O₄ приходится две формульных единицы KMnO₄, но на 5·2=10 химических эквивалентов H₂C₂O₄ приходится такое же количество химических эквивалентов (2·5=10) KMnO₄.

3) 2С⁰ + 2HN⁺⁵ O₃ = 2C⁺⁴O₂ + N₂⁺¹O + H₂O

_{восстановитель окислитель}

С⁰ - 4ē = С⁺⁴ 4 2

8

2N⁺⁵ + 8ē = 2N⁺¹ 8 1

f_экв.(С)= ; f_экв.(HNO₃)= .

Химические эквиваленты исходных веществ будут равны, соответственно:

f_экв.(С)С= С (составляет ¼ часть атома);

f_экв.(HNO₃)HNO₃= HNO₃ (составляет 1/4 часть молекулы).

В реакции на два атома С приходится две молекулы HNO₃ и на 2·1=2 химических эквивалента С приходится такое же количество химических эквивалентов (2·1=2) HNO₃.

Количества прореагировавших молекул (формульных единиц) исходных веществ в большинстве химических реакций не относятся друг к другу как 1:1. Исключение составляют те случаи, когда в уравнении реакции перед формулами реагентов стоят одинаковые стехиометрические коэффициенты. Но в любой химической реакции количества расходованных химических эквивалентов исходных веществ равны между собой.