Определение эквивалента металла

Таким образом, для всех элементов можно найти числа, выражающие
весовые количества, в которых элементы соединяются друг с другом. Вначале эти числа получили название «соединительных весов».
Дальтон одним из первых вычислил соединительные веса многих элементов, принимая соединительный вес водорода за единицу. Водород образует соединения далеко не со всеми элементами; вскоре стали вычислять соединительные веса по отношению к кислороду, условившись считать соединительный вес самого кислорода равным восьми. При этом условии соединительные веса, вычисленные по водороду, сохранили свою прежнюю величину, соединительный же вес самого водорода стал равным 1,008.
Впоследствии название "соединительный вес" было заменено названием "эквивалент", что значит - равноценное количество.
1 Теоретические основы работы
Количественный подход к изучению химических явлений и установление закона постоянства состава показали, что вещества вступают во взаимодействие в определенных соотношениях масс, что привело к введению такого
важного понятия как «эквивалент» и установлению:
- закона эквивалентов: массы взаимодействующих без остатка веществ относятся как их эквивалентные массы или массы взаимодействующих веществ пропорциональны их эквивалентным массам;
- закона Дюлонга-Пти: произведение удельной теплоемкости простого твердого вещества на молярную массу атомов соответствующего
элемента для большинства элементов приблизительно одинаково и равно 26,4 Дж/моль К
и соотношения, связывающего эквивалентную массу, валентность и атомную
массу металла:
А
Э= ,
(1)
В
где Э - эквивалентная масса элемента;
А - атомная масса элемента;
В - валентность элемента.
Эти закономерности позволяют опытным путем определить валентность и атомную массу химического элемента и определить его по периодической системе химических элементов.
5
Эквивалентом элемента (молярной массой эквивалента элемента)
называется такое количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических
реакциях.
Эквивалентной массой называется масса 1 эквивалента вещества.
Пример 1. Определить эквиваленты и эквивалентные массы элементов
в соединениях HBr, H2O и NH3.
Решение. В указанных соединениях с 1 молем атомов водорода соединяется 1 моль атомов брома, 1/2 атомов кислорода и 1/3 моля атомов азота.
Следовательно, согласно определению, эквиваленты брома, кислорода
и азота равны соответственно 1молю, 1/2 и 1/3 моля. Исходя из мольных масс
атомов этих элементов, находим, что эквивалентная масса брома равна
79.9
16
14
=79,9 г/моль, кислорода – = 8 г/моль, азота= 4,67 г /моль.
2
1
3
Эквиваленты одних и тех же элементов в различных соединениях могут различаться, так как величина эквивалента зависит от характера превращения, претерпеваемого им. Есть возможность провести практический расчет эквивалента по формуле (1); вместо валентности в формулу вводится
численное значение степени окисления элемента.
Пример 2. Определить эквивалент фосфора в соединении H3PO4.
Решение. Степень окисления фосфора в данном соединении +5, атомная масса 31 г/моль, тогда эквивалент, вычисленный по формуле (1), соста31
вит:
= 6,2 г/моль.
5
Непосредственно из понятия эквивалента следует необходимость важнейшего понятия химии – валентность (от Valentia - сила) – способность
атома присоединять или отдавать определенное число других атомов.
По закону эквивалентов, массы веществ, реагирующих между собой
без остатка, прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.
Математически закон выражается:
m1 Э1
=
,
m 2 Э2
где
6
m1
m2
Э1
Э2
- масса первого вещества, г;
- масса второго вещества, г;
- эквивалент первого вещества;
- эквивалент второго вещества.
(2)
Пример 3. Вычислите эквивалент металла, зная, что его хлорид содержит 79, 8% хлора. Эквивалент хлора 35,5.
Решение. Содержание металла в этом соединении: 100-79,8= 20,2 %.
Согласно закону эквивалентов, отношение количества металла и хлора в соединении должно быть равно отношению их эквивалентов (формула (2)), т.е.
20,2 Эме
=
, откуда
35,5
79,8
Эме = 20,2 × 35,5 = 8,98 .
79,8
Эквивалент металла равен 8,98.
Большая часть элементных веществ взаимодействует либо с водородом, либо с кислородом, либо с водородом и кислородом. Поэтому эквиваленты водорода и кислорода приняты в качестве исходных при определении
химических эквивалентов. Эквивалент водорода равен 1 г/моль, кислорода 16
= 8 г/моль.
2
Эквивалентная масса сложного вещества также может иметь различные
значения в зависимости от того, в каком взаимодействии это вещество участвует. Если во взаимодействии сложного вещества участвует его известное
количество или известно количество реагирующих групп, то для расчета эквивалентных масс можно пользоваться следующими правилами-формулами:
1)
эквивалентная масса сложного вещества (молярная эквивалентная масса сложного вещества) в реакциях равна сумме эквивалентных
масс образующих его элементов.
Пример 4. Определить эквивалентную массу оксида Na2O
Решение.
23 16
ЭNa2O = Э(Na) + Э(О) =
+
= 31 г/моль;
1
2
2)
эквивалентная масса кислоты (молярная эквивалентная масса
кислоты) в реакциях равна
М (кислоты)
Э(кислоты) =
.
(3)
количество заместившихся атомов Н
Пример 5. Определить эквивалентную массу фосфорной кислоты.
Решение. Согласно уравнению (3) эквивалентная масса кислоты
98
ЭH3PO4 = =32,7 г/моль.
3
7
Пример 6. Вычислить эквивалентную массу серной кислоты в реакциях, выражаемых уравнениями:
H2SO4 + KOH = KHSO4 + H2O,
H2SO4 + Mg = MgSO4 + H2.
Решение. Эквивалент сложного вещества, так же как и эквивалент
элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Согласно уравнению (3) эквивалентная
масса кислоты в первой реакции:
98
= 98 г/моль (т.к. из двух групп заместилась одна);
ЭH2SO4 =
1
- во второй реакции
98
ЭH2SO4 = = 49 г/моль (т.к. из двух групп заместились две);
2
3)
эквивалентная масса основания (молярная эквивалентная масса основания) в реакции равна
М
(основания )
Э(основания) =
.
(4)
количество заместившихся OH групп
Пример 7. Вычислить эквивалентную массу основания в реакциях, выражаемых уравнениями:
Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2Cl + H2O
Al(OH)3 + 3HNO3 = Al(NO3)3 + 3H2O
Решение. Согласно уравнению (4) эквивалентная масса основания в
первой реакции
78
ЭAl(OH)3=
= 78 г/моль (т.к. из трех групп заместилась одна);
1
- во второй реакции
78
ЭAl(OH)3 =
= 26 г/моль (т.к. из трех групп заместились все три).
3
Пример 8. Определить эквивалентную массу гидроксида кальция.
Решение. Согласно уравнению (4) эквивалентная масса гидроксида
кальция
74
ЭCa(OH)2 =
=37 г/моль.
2
8
4)
эквивалентная масса соли (молярная эквивалентная масса соли)
в реакциях полного замещения катиона или аниона равна
Э(соли) =
М (соли )
;
заряд катиона × количество катионов
или
Э(соли) =
М (соли )
.
заряд аниона × количество анионов
(5)
Пример 9. Определить эквивалентную массу сульфата алюминия.
Решение. Согласно уравнению (5) эквивалентная масса сульфата алюминия
342
= 57 г/моль;
ЭAl2(SO4)3 =
2×3
5)
эквивалентная масса оксида (молярная эквивалентная масса
оксида) в реакциях полного замещения равна
Э(оксида) =
М (оксида)
. (6)
валентность элемента × количество атомов элемента
Пример 10. Определить эквивалентную массу оксида железа.
Решение. Согласно уравнению (6) эквивалентная масса оксида железа
159,6
ЭFe2O3 =
=53,2 г/моль;
3
6) эквивалентная масса окислителя и восстановителя (молярная эквивалентная масса окислителя и восстановителя) определяются делением
молярной массы на изменение степени окисления.
Пример 11. Определить эквивалентные массы окислителя и восстановителя в реакции
K 2 Cr2+6 O7 + Na 2 S +4 O3 + 4 H 2 SO4 = Cr2+3 ( SO4 ) 3 + 3 Na 2 S +6 O4 + K 2 SO4 + 4 H 2 O .
Решение. Окислителем в этой реакции явялется K2Cr2O7, а восcтановителем - Na2SO3 . Суммарное изменение степени окисления хрома в K2Cr2O7 :
2 (+3) – 2(+6) = – 6,
9
поэтому
294
= 49 г/моль.
6
Суммарное изменение степени окисления серы в Na2SO3 : +6 - (+4)= +2,
ЭК2Cr2O4=
поэтому
ЭNa2SO3=
126
= 63 г/моль.
2
2 Экспериментальная часть
2.1 Цель лабораторной работы
В настоящей работе предлагается использовать косвенный метод определения атомной массы металла, основанный на измерении количества водорода, вытесняемого известной навеской изучаемого металла из избытка кислоты (метод вытеснения).
Целью лабораторной работы является освоение методики определения
эквивалентной массы металлов, расчета их валентности и атомных масс.
2.2 Порядок выполнения работы
1) зарисовать установку для проведения эквивалентной массы металла
и обозначьте ее детали (рисунок 1);
2) получить у преподавателя навеску металла. Запишите массу металла
и его удельную теплоемкость (узнать у преподавателя) в таблицу 3;
3) отмерить мерным цилиндром 3…4 мл 20%-ой серной кислоты;
4) налить отмеренную кислоту в пробирку 5 через воронку с удлиненным концом. При этом капли кислоты не должны попадать на стенки пробирки выше уровня жидкости;
5) закрепить пробирку на штативе в положении, близком к горизонтальному, т.е. таким образом, чтобы кислота не растеклась по длине всей
пробирки;
6) поместить металл на край пробирки, добавить 1...2 кристаллика
сульфата меди (для ускорения процесса) и осторожно сдвинуть внутрь пробирки, не доводя до соприкосновения с кислотой;
7) пробирку с кислотой и металлом плотно присоединить к прибору с
помощью соединительной трубки 3;
8) проверить систему на герметичность. Для этого опустить уравнительный сосуд, чтобы уровень воды в нем был ниже уровня воды в бюретке,
и в таком положении укрепить его. При опускании уравнительного сосуда
10
уровень воды в бюретке незначительно понизиться. Если через 1...2 минут
дальнейшего понижения уровня воды в бюретке не будет, прибор можно
считать герметичным;
9) после испытания прибора на герметичность уравнительный сосуд
снова установить так, чтобы уровни воды в нем и бюретке были одинаковы.
Записать показания бюретки в таблицу 3;
3
1
5
4
2
1 – пробирка; 2 - штатив; 3 – трубка соединительная;
4 – бюретка; 5 - уравнительный сосуд
Рисунок 1 - Прибор для определения
эквивалентной и атомной массы металла.
10) перевернуть пробирку в вертикальное положение, при этом металл
попадает в кислоту и начинает протекать реакция с выделением водорода:
Ме + n HCl → MeCln +
n
H2 ↑
2
В этом случае вода вытесняется из бюретки в уравнительный сосуд;
11) по окончании реакции подождать 5 минут для охлаждения водорода до температуры окружающего воздуха (реакция идет с выделением тепла);
11
12) записать показание бюретки после опыта в таблицу 3; по термометру, барометру и таблице 4 определить, температуру окружающего воздуха,
атмосферное давление, давление насыщенного водяного пара в равновесии с
водой и записываем в таблицу 3.
Таблица 3 - Результаты опыта
Название и обозначение величины
Формула
для расчета
1 Масса металла
2 Удельная теплоемкость металла
3 Объем воды в бюретке до опыта
4 Объем воды в бюретке после опыта
5 Объем, выделившегося водорода
6 Температура опыта
7 Температура опыта
8 Атмосферное давление (по барометру)
9 Давление насыщенного пара
10 Парциальное давление водорода
m1
С
V1
V2
VH2
t
Т
Р
PH2
РН2
Числовое
значение
Единица
измерения
г
V(H2) = V2 – V1
Т = 273 + t
см. табл. 4
РН = Р - РН2О
Таблица 4 - Давление водяного пара при различных температурах
Р, мм рт ст.
t, 0C
t, 0C
10
9,21
21
15
12,79
22
16
13,63
23
17
14,53
24
18
15,48
25
19
16,48
26
20
17,53
27
Дж/(г. К)
мл
мл
мл
0
C
K
мм рт.ст
мм рт.ст
мм рт.ст
Р, мм рт ст.
18,65
19,83
21,09
22,38
23,75
33,60
35,64
2.3 Обработка результатов
1)
по уравнению Менделеева-Клапейрона (универсальная газовая
постоянная R в зависимости от выбора единиц давления и объема имеет значения, приведенные в таблице 5) находим массу водорода:
PH V H =
2
Таблица 5
Единица измерения
p
V
Па
м3
атм
л
мм.рт.ст.
л
12
2
mH
2
MH
RT ;
2
Газовая постоянная, R
численное значение
размерность
.
8,314
Па м/(К.моль)=Дж/(К. моль)
0,082
атм .л/(К.моль)
62,40
мм рт.ст.. л/(К.моль)
2)
по закону эквивалентов вычисляем эквивалентную массу метал-
ла:
mMe
mH
2
=
ЭMe
;
ЭH
2
3)
по закону Дюлонга-Пти вычисляем приблизительную атомную
массу металла:
А(табл) С = 26,4 ;
4)
находим валентность металла, исходя из значений атомной массы, найденной в п.3 (результат округлить до целого числа):
В=
А( табл)
;
Эме
5)
определяем опытное значение атомной массы металла:
А(оп) = Эме В ;
6)
рассчитываем погрешности опыта:
d
=±
A(оп) - А( табл) 0
100 0 ;
А( табл)
7)
Вывод:
– определен эквивалент металла Эме =
– с погрешностью s =
– металл –
– валентность металла В=
3 Вопросы и задания
3.1 Сформулировать закон эквивалентов, дать его математическое выражение.
3.2 Как определить эквивалент оксида, если известен эквивалент элемента, соединившегося с кислородом?
3.3 Дать определения эквивалента элемента, эквивалентной массы.
3.4 Найти эквивалентную массу марганца в соединениях: Mn(OH)4;
K2MnO4; MnSO4.
3.5 Сколько эквивалентов содержится в 200 г CaCO3; в 400 г NaOH?
13
3.6 Найти эквивалентную массу серы в соединениях H2S; SO3; FeSO4;
CuSO3.
3.7 От чего зависит эквивалент химического элемента: 1) от валентности; 2) всегда является постоянной величиной.
3.8 Какая формула правильно выражает закон эквивалентов:
m
m
m
m
а) 1 = 2 ;
б) 1 = 2 .
Э2 Э1
Э1 Э2
3.9 Эквивалентная масса металла равна 12 г/моль. Чему равна эквивалентная масса его оксида: а) 24 г/моль; б) нельзя определить; в) 20 г/моль.
3.10 Чему равен объем 1 моль идеального газа при 25 0С и давлении 1
атм?
3.11 Удельная теплоемкость металла равна 0,218 Дж(г.К), а молярная
масса его эквивалента – 29,65 г/моль. Чему равны валентность и атомная
масса металла, какой это металл?
3.12 Определить эквивалентную массу металла, если 0,4 г его вытеснили из воды 624 мл Н2 при 470 0С и 743 мм рт. ст.?
3.13 0,36 г металла образуют 0,68 г оксида. Определить эквивалент металла.
3.14 Мышьяк образует два оксида, из которых один содержит 65,2 %
(масс.) мышьяка, а другой – 75,7% (масс.) мышьяка. Определить эквивалентные массы мышьяка в обоих случаях. Написать формулы соответствующих
оксидов.
4 Безопасность труда
4.1 При работе соблюдайте общие правила работы в химической лаборатории (инструкции 19-02-31, 19-02-68, 19-02-71).
4.2 Немедленно уберите со стола и пола все пролитое, разбитое. просыпанное. После работы рабочее место приведите в порядок. Гранулы и кусочки металлов не выбрасывайте в раковину, а сдавайте лаборанту.
4.3 При попадании кислоты или щелочи на кожу обильно смойте их
проточной водой, а затем смочите кожу разбавленными растворами гидрокарбоната натрия (при химическом ожоге кислотой) или уксусной кислоты
(при химическим ожоге щелочью). Эти растворы находятся в лаборатории.
4.4 Все отработанные растворы сливайте в специальную посуду для
дальнейшей нейтрализации.
5. Рекомендованная литература
5.1 Коровин Н.В. Общая химия.– М.: Высшая школа, 1998.
14
5.2 Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – М.: ИнтегралПресс, 1997.
5.3 Захаров Л.Н. Техника безопасности в химических лабораториях.
-Л.: Химия, 1979.
15