Определение молекулярной массы эквивалента. Методические

Федеральное агентство по образованию
Томский государственный архитектурно-строительный
университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ
ЭКВИВАЛЕНТА ЦИНКА
Методические указания к лабораторной работе
Составители: А.Н. Павлова, Н.С. Елугачева
Томск 2006
Определение молярной массы эквивалента цинка: методические указания к лабораторной работе. / Сост. А.Н. Павлова, Н.С. Елугачева. – Томск: Изд–во Том. гос. архит.– строит.
ун-та, 2006. – 10 с.
Рецензент: к.б.н. Т.М. Южакова
Редактор: Е.Ю. Глотова
Методические указания к лабораторной работе «Определение
молярной массы эквивалента цинка» по дисциплине «Химия». Методическое пособие предназначено для студентов всех специальностей
всех форм обучения.
Печатаются по решению методического семинара кафедры химии № 9 от 02.07.06.
Утверждены и введены в действие проректором по учебной
работе В. С. Плевковым
с 01.01.2007
до 01.09.2012
Подписано в печать
Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. Тираж 200 экз. Заказ №
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал – макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
2
Цель работы. Познакомиться с одним из методов определения химического эквивалента металлов. Определить молярную массу эквивалента цинка.
Оборудование и материалы
Прибор для определения эквивалентной массы цинка, барометр, термометр, раствор соляной кислоты 0,1 н, навеска
цинка.
Теоретическая часть
Эквивалентом химического вещества называется такое
его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода
или замещает его в химических реакциях. Выражается в молях,
например, эквивалент кислорода равен 1/4 моля О2.
Фактор эквивалентности (f) вещества (X) – число, равное той доле частицы X, которая является эквивалентом вещества в данной реакции.
Молярная
масса
эквивалента
вещества
(Мэ,
г/моль⋅экв) – масса одного моля эквивалента.
Молярная масса эквивалента вещества равна произведению фактора эквивалентности (f) данного вещества на его молярную массу (М):
Мэ = f ·М.
(1)
В общем случае молярная масса эквивалента элемента
определяется в соединении по формуле:
(2)
Аr
Мэ =
,
n
где Ar – атомная масса; n - валентность элемента.
Молярная масса эквивалента водорода равна 1,008 г/моль,
а кислорода, в большинстве его соединений – 8 г/моль.
Большинство химических элементов проявляют переменную
валентность, поэтому их молярные массы эквивалентов имеют
3
различное значение в разных соединениях. Например, молярная масса эквивалента серы в соединениях H2S, SO2 и H2SO4
равна соответственно: 16; 8 и 5,33 г/моль.
Эквивалентом сложного вещества называется такое его
количество, которое взаимодействует без остатка с I эквивалентом водорода или с одним эквивалентом любого другого
вещества.
Молярные массы эквивалентов сложных веществ определяются по следующим формулам:
М (к − ты)
1) Для кислот Мэ =
,
nН
где М(к-ты) – молярная масса кислоты,
nH – число атомов водорода.
98
Пример: М э (H2SO4) =
= 49 (г/моль)
2
М (осн)
2) Для оснований: М э(осн) =
,
nОН
где М (осн) – молярная масс а основания ,
n ОН – число ОН-групп.
74
Пример: М э (Са(ОН)2) =
= 32 (г/моль).
2
М
3) Для солей и оксидов: М э =
,
nМ ⋅ В
где М – молекулярная масса оксида или соли;
nМ – число атомов металла; В – валентность металла.
102
Пример: Мэ(Al2O3) =
= 17 (г/моль).
2⋅3
В некоторых реакциях кислот и оснований замещаются не
все атомы водорода или гидроксогруппы, а образуются кислые
или основные соли (KHSO4, CuOHCl). В этих случаях при расчете молярных масс эквивалентов учитываются только замещенные Н+ или ОН-.
4
Пример: H2SO4 + KOH = KHSO4 + H2O,
98
М э (H2SO4) =
= 98 (г/моль).
1
Эквивалентное количество вещества (nэ, моль⋅экв)
равно отношению массы данного вещества к его эквивалентной
массе:
m
(3)
nэ =
.
Мэ
Существуют различные методы определения эквивалентов и молярных масс эквивалентов элементов:
1. Метод прямого определения: если элемент образует
соединение с водородом, его эквивалент может быть
определён непосредственно из этого соединения.
2. Метод вытеснения: если элемент вытесняет водород
из его соединений, эквивалент элемента определяют по
количеству выделившегося водорода.
3. Метод косвенного определения: эквивалент элемента определяют по известному эквиваленту другого
элемента (не водорода).
В основе всех методов определения эквивалентов лежит
закон эквивалентов, который гласит: вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их
молярным массам эквивалентов.
m1
М э1
=
m2
М э2
(4)
Таким образом, зная массы реагирующих веществ и молярну ю массу эквивалента одного из них, можно вычислить молярную массу эквивалента другого вещества. В тех случаях, когда молярная масса эквивалента элемента определяется по объему выделившегося или поглощенного газа (Н2
или О2), удобнее пользоваться величиной эквивалентного
объема Vэ. Формула закона эквивалентов тогда имеет вид:
5
m1 Мэ1
=
.
V2 Vэ 2
(5)
Эквивалентный молярный объем (Vэ) газообразного вещества при нормальных условиях (н.у.) равен произведению
фактора эквивалентности (f) на молярный объем VМ (VМ=
22,4 л):
Vэ = f ⋅ VМ .
(6)
Согласно закону Авогадро 1 моль любого газа при н.у.
(Р=760 мл.рт.ст., Т=273 К) занимает объем 22,4 л. Поэтому объём одного эквивалента водорода Н2 (1/2 моля)
равен 11,2 л, а кислорода О 2 (1/4 моля) – 5,6 л.
Порядок выполнения работы
Для определения эквивалентной массы цинка используется прибор, показанный на рисунке.
8
7
6
4
2
5
Рисунок. Прибор для определения эквивалента металла:
1
3
1 – бюретка; 2 – воронка; 3,
4, 6 – резиновые трубки; 5
– колба Вюрца; 7 – зажим;
8 – пробирка
6
Прибор состоит из бюретки 1 (на 50 мл) и воронки 2,
соединённых между собой резиновой трубкой 3 и заполненных дистиллированной водой. Бюретка резиновой трубкой 4
присоединена к реакционной колбе 5 (колба Вюрца), которая заполнена раствором соляной кислоты и которая в свою
очередь резиновой трубкой 6 с зажимом 7 соединена пробиркой 8, куда и помещается навеска цинка.
Прежде чем приступить к выполнению работы, необходимо проверить прибор на герметичность. Для этого воронку 2 необходимо опустить по штативу ниже уровня воды в бюретке 1. Уровень жидкости в бюретке при этом несколько понизится и зафиксируется на некоторой отметке.
Если дальнейшего понижения уровня воды в течение 1 мин
не происходит, система считается герметичной. Если уровень жидкости в бюретке непрерывно понижается, прибор
где-то пропускает воздух (об этом необходимо сообщить
преподавателю).
Чтобы приготовить прибор к работе, надо при закрытом
зажиме 7 совместить уровень воды в воронке 2 с уровнем
воды в бюретке 1. В этом случае давление воздуха в системе равно атмосферному. Если уровень воды находится в
верхней части градуированного объема бюретки, необходимо записать этот объём, приняв его за нулевой V0. Сохраняя этот уровень, закрепить воронку в лапке штатива. В
пробирку 8 насыпать известную навеску цинка, аккуратно
надеть пробирку на резиновую трубку. Ещё раз проверить
уровень V0, затем открыть зажим и лёгким постукиванием
пальца пересыпать всю навеску цинка в колбу 5. Пробирку
не снимать, чтобы не нарушить герметичность системы. В
колбе происходит интенсивная реакция цинка с соляной кислотой с выделением водорода. Записать уравнение реакции.
При выделении водорода уровень воды в бюретке понижается.
По окончании реакции (прекращение выделения пузырьков газа в колбе) прибор в течение 5–10 мин охлаждается до комнатной температуры. Затем необходимо опять
совместить уровень воды в воронке с новым уровнем воды в
бюретке. Отметить новое значение объёма V1. Результаты
опыта занести в табл. 1. Определить температуру в помещении по термометру и давление по барометру.
7
Таблица 1
Навеска
цинка, г
Температура, Давление, Начальный Конечный Объем
Ратм,
Т, оС; К
объем,
выделивобъем,
мм.рт.ст V0, мл
V1, мл
шегося водорода,
V= V1 – V0,
мл
Обработка результатов измерения
Вариант I
Для нахождения молярной массы эквивалента цинка по
закону эквивалентов необходимо вычислить массу выделившегося водорода по уравнению Менделеева – Клапейрона:
m
PVM
RT, m =
,
M
RT
где М – молярная масса водорода; R – универсальная газовая постоянная (62400 мм.рт.ст. ·мл/моль · К).
Так как газ собирался над водой, при расчёте давления газа необходимо из атмосферного давления (по барометру) вычесть давление водяных паров при данной температуре:
P = Pатм – РH2O.
PV =
Давление водяных паров определяется по табл. 2.
Таблица 2
Т, оС
18
19
20
21
22
23
24
Р Н2 О
15.48
16.48
17.54
18.65
19.83
21.07
22.38
8
Зная массу выделившегося водорода, рассчитать молярную массу эквивалента цинка по закону эквивалентов:
m Zn
М э Zn
=
mH
М эH
Вариант 2
Привести объём выделившегося водорода к нормальным условиям по уравнению газового состояния:
PV P0V0
=
,
где P = Pатм – РH2O
T
T0
( Pатм − РН 2О ) ⋅ 273
V0 = V
Т ⋅ 760
Вычислить молярную массу эквивалента цинка по закону
эквивалентов с использованием эквивалентного объёма водорода:
mZn ЭZn
=
VH 2
ЭVH
где ЭVH – эквивалентный объём водорода, равный11200 мл
Определить теоретическую молярную массу эквивалента
цинка по таблице Менделеева и определить относительную
ошибку опыта:
Мэ теор − Мэ эксп
П=
⋅ 100% .
Мэ теор
9
Контрольные вопросы
1. Дать определение эквивалента, фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента.
2. Как рассчитываются молярные массы эквивалентов химических элементов?
3. Как рассчитываются молярные массы эквивалентов
сложных соединений?
4. Написать выражение закона эквивалентов.
5. Что такое эквивалентный объем?
6. Написать уравнение Менделеева – Клапейрона.
7. Какие условия называются нормальными?
Список рекомендуемой литературы
1. Глинка, Н. Л. Общая химия: учебное пособие для нехимических специальностей вузов. / Н. Л. Глинка. – М.:
Интеграл-Пресс, 2002. – 728 с.
2. Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. /
Н.Л.Глинка. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 240 с.
3. Коровин, Н.В. Общая химия. / Н.В. Коровин. – М.:
Высш. шк.: Учебник для технических напр. и спец. вузов. – 2000. – 558 с.
10