Вводное занятие. Введение в практикум. Правила работы в химической лаборатории.

1
ЗАНЯТИЕ N 1
ТЕМА: Вводное занятие. Введение в практикум.
Правила работы в химической лаборатории.
Понятие химического эквивалента.
Способы выражения состава растворов
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ:
1. Понятие об эквиваленте. Закон эквивалентов. Фактор эквивалентности.
2. Общее понятие о растворах.
3. Способы выражения состава растворов:
а) массовая доля вещества;
б) молярная концентрация;
в) молярная концентрация эквивалента;
г) моляльная концентрация;
д) титр;
е) мольная доля.
ЭКВИВАЛЕНТОМ называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять или высвобождать один ион водорода в кислотноосновных реакциях или один электрон в окислительно-восстановительных реакциях.
ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ
Вещества взаимодействуют друг с другом и образуются в результате химических реакций в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Соответственно, массы (объемы) реагирующих веществ и продуктов их взаимодействия
пропорциональны их эквивалентным массам (объемам).
Для реакций А + В ↔ С + D:
mC
mA
mB
mD



M Ý ( A) M Ý ( B ) M Ý (C ) M Ý ( D )
ФАКТОР ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ fэкв. (Х) – число, показывающее, какая доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода в данной
кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительновосстановительной реакции. Это – величина безразмерная, которую рассчитывают на основании стехиометрических коэффициентов конкретной реакции.
Фактор эквивалентности часто обозначают отношением 1/Z, где Z – суммарный заряд обменивающихся в молекуле ионов для обменных реакций или
число электронов, принятых или отданных молекулой (атомом) вещества – для
окислительно-восстановительных реакций.
2
Z – всегда целое положительное число, а фактор эквивалентности – меньше или
равен 1.
fÝ ( X ) 
1
1
Z
Фактор эквивалентности одного и того же вещества может иметь разные
значения в разных реакциях. Рассмотрим это на примере:
а) Na2CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl
fэкв. (Na2CO3) = 1
б) Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2↑
fэкв. (Na2CO3) = 1/2
в) 5Na2SO3 + 2KМnO4 + 3H2SO4 = 5Na2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O + K2SO4
MnO4‾ + 8H+ + 5ē → Mn2+ + 4H2O
fэкв. (KМnO4) = 1/5
г) 3Na2SO3 + 2KМnO4 + H2O = 3Na2SO4 + 2MnO2 + 2KOH
MnO4‾ + 2H2O + 3ē → MnO2 + 4OH‾
fэкв. (KМnO4) = 1/3
д) Na2SO3 + 2KМnO4 + 2KOH = Na2SO4 + 2K2MnO4 + H2O
MnO4‾ + ē → MnO42‾
fэкв. (KМnO4) = 1
На основе закона эквивалентов можно вывести следующие формулы для
вычисления эквивалентных масс сложных веществ:
М оксида
Мэ оксида =
Число атомов элемента • валентность элемента
Мкислоты
Мэ кислоты =
Основность кислоты
Моснования
Мэ основания =
Кислотность основания
Мсоли
Мэ соли =
Число атомов металла ∙ валентность металла
3
М – молярная масса соединений.
Мэ – молярная масса эквивалента
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ
Содержание растворенного вещества в растворе может быть выражено либо
безразмерными величинами – долями или процентами, либо величинами размерными – концентрациями.
В титриметрическом анализе для выражения состава раствора используют
молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалента, титр.
МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ равна количеству вещества (в молях), содержащегося в одном литре раствора. Она обозначается С(Х), иногда СМ и рассчитывается как отношение количества растворенного вещества Х к объему V
раствора в литрах:
ÑÌ ( X ) 
 (X )
V

m( X )
M ( X ) V
где m (Х) – масса растворенного вещества, г
М(Х) – молярная масса, г/моль
V – объем раствора, л.
Если объем V раствора измеряют в миллилитрах, то формула для расчета молярной концентрации имеет вид:
ÑÌ ( X ) 
1000  m( X )
M(X )
МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭКВИВАЛЕНТА (или нормальность)
равна количеству вещества эквивалента (в молях), содержащегося в одном литре
раствора. Она обозначается С(fэкв.(Х)), иногда Сн рассчитывается как отношение
количества эквивалента растворенного вещества Х к объему раствора в литрах:
Cí ( X ) 
Ý (X )
V

m( X )
M Ý ( X ) V
или, выразив в знаменателе молярную массу эквивалента через молярную массу
вещества и фактор эквивалентности его в реакции по уравнению, получим:
Cí ( X ) 
m( X )
f Ý ( X )  M ( X ) V
В титриметрическом анализе широко используется разновидность массовой
концентрации – титр.
ТИТР равен массе вещества (в граммах), содержащейся в 1 мл раствора.
Титр обозначается Т(Х) и рассчитывается, как отношение массы вещества Х к
объему V его раствора в миллилитрах:
4
T(X ) 
m( X )
V
Откуда
m(Х) = Т(Х). V
или
m(Х) = 1000 ∙ Т(Х) ∙ V,
где V – объем, л.
Можно установить связь между молярной концентрацией и титром:
ÑM ( X ) 
Cí ( X ) 
m( X )
1000  T ( X )

M ( X ) V
M(X )
1000  T ( X )
MÝ (X )
Cí ( X ) 
1000  T ( X )
fÝ ( X )  M ( X )
В тех случаях, когда речь идет об отношении массы (или объема, или количества вещества) компонента к, соответственно, массе (или объему, или количеству вещества) всей системы, термин "концентрация" не употребляют, а говорят
о "доле" – массовой, объемной или молярной. И выражают эту долю либо дробью, либо в процентах, принимая систему за 1 или за 100%.
Для обозначения доли компонента приняты следующие греческие буквы:
массовая доля – ω (омега), объемная доля – φ (фи), молярная доля – χ (хи).
( X ) 
m( X )
;
m
(X ) 
V(X )
;
V
(X ) 
 (X )

где m (Х) и m – массы компонента и всей системы
V(Х) и V – объемы компонента и всей системы
ν(Х) и Σ ν – количества вещества компонента и всей системы.
МОЛЯЛЬНОСТЬ РАСТВОРА – равна количеству вещества (в молях) растворенного в 1 кг растворителя. Она обозначается:
Ñm ( X ) 
(X )
m(Y )

m( X )
M ( X )  m(Y )
где m(Y) – масса растворителя, кг.
УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА N 1
Растворы. Способы выражения состава растворов.
ОПЫТ 1. Приготовление растворов с заданной массовой долей из более
концентрированного раствора.
Определить ареометром плотность исходного раствора кислоты. По таблице найти массовую долю вещества в исходном растворе. Рассчитать объем исходного раствора и воды, которые необходимы для приготовления раствора заданной концентрации. Отмерить мерным цилиндром необходимый объем воды
и влить в колбу, стакан. Отмерить пипеткой рассчитанный объем исходного
5
раствора кислоты и влить в колбу с водой, перемешать. Измерить ареометром
плотность полученного раствора, найти по таблице массовую долю и сравнить с
заданной. Определить точность выполнения опыта.
ФОРМА ОТЧЕТА:
1. Представить расчет объемов исходного раствора кислоты и воды, необходимые для приготовления раствора заданной концентрации.
2. Рассчитать абсолютную и относительную ошибки эксперимента по уравнениям:
Д = Хэкс. – Хист.
(1)
Ä0 
Ä
 100%
Õ èñò .
(2)
где Д – абсолютная ошибка
Д0 – относительная ошибка
Хэкс. и Хист. – соответственно, экспериментальное и истинное значение определяемой величины.
Полученные результаты представить в виде таблицы.
Таблица
Расчет ошибок определения
ρ табл.
ρ эксп.
Д
Д0 , %
Вспомогательные материалы:
(оснащение занятия)
а) химическая посуда: пробирки, мерные цилиндры, химические стаканы, аналитические пипетки, конические колбы;
б) ареометры;
в) реактивы;
г) таблицы 1-3;
Материалы для контроля усвоения темы:
– тексты контрольных работ.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ:
1. Общие понятия о растворах.
2. Способы выражения состава растворов:
а) массовая доля вещества;
б) молярная концентрация;
в) молярная концентрация эквивалента;
г) моляльная концентрация;
д) титр;
6
е) мольная доля
3. Понятие об эквиваленте. Закон эквивалентов. Фактор эквивалентности.
Расчетные задачи:
1. В оксиде металла ω (О) = 28,57%. В его же соединении со фтором ω (F)
= 48,72%. Определите эквивалентную массу фтора.
Ответ: 19 г/моль
2. Какой объем соляной кислоты с массовой долей HCl 38% (ρ = 1,19 г/мл)
нужно взять для приготовления 1 л 2 н раствора? Определить титр раствора.
Ответ: 161,5 мл;
7,3 ∙ 10‾2 г/мл
3. Какой объем раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 30% (ρ =
1219 кг/м3) можно приготовить из 12 кг раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 60% (2 способа решения)?
Ответ: 19,7 л
4. Водный раствор содержит 577 г H2SO4 в 1 л. Плотность раствора 1335
кг/м . Вычислите массовую долю (%)H2SO4 в растворе, а так же молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалента, моляльность и молярные доли H2SO4 и H2O.
Ответ: 43,22%, 11,76 моль/л;
5,88 моль/л; 7,57 моль/кг;
0,123; 0,877
3
5. Вычислите молярную массу эквивалента двухосновной кислоты, в 12,5
н. растворе которой массовая доля этой кислоты 37%, а ρ = 1664 кг/м 3. Какая
это кислота? Чему равны молярная концентрация, моляльность и титр раствора этой кислоты?
Ответ: 49,2 г/моль; 6,25 моль/л;
5,94 моль/кг; 0,6156 г/мл
МАТЕРИАЛЫ УИРС:
Определение плотности растворов биологических жидкостей (мочи, крови).
Приготовление растворов с заданной концентрацией (физиологических растворов).
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ:
1. Конспект лекций.
2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб.
для мед. спец. вузов /Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под ред.
Ю.А. Ершова. – М.: Высш. шк., 1993. – с.42-49.
7
3. Введение в химию биогенных элементов и химический анализ: Учеб. пособие /Е.В. Барковский, С.В. Ткачев, Г.Э. Атрахимович и др.; Под общ. ред. Е.В.
Барковского – Мн.: Выш. шк., 1997. – с.85-93.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:
1. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных
элементов: Учебное пособие для студентов медицинских спец. вузов/Ю.А. Ершов, А.М. Кононов, С.А. Пузаков и др.; Под ред. Ю.А. Ершова и В.А. Попкова.
– М.: Высш. шк., 1993. – с. 5-17.
2. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – СПб: Химия, 1994. – с. 129-131.