Экспериментальная часть. Федеральное агенство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агенство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

 

ХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА,

 

ЭКВИВАЛЕНТНОЙ И АТОМНОЙ

 

МАССЫ МЕТАЛЛА

 

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по общей химии

для студентов всех специальностей

 

 

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

 

 

Саратов 2005

Цель работы:

1. Ознакомить студентов с основными химическими законами и единицами массы.

2. С помощью математической обработки полученных студентами экспериментальных данных сделать вывод о названии металла, данного для работы и его положении в периодической таблице Д.И.Менделеева.

 

Основные понятия

 

Вспомним основные частицы вещества.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами и состоящая из атомов. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. Химический элемент можно определить как вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств.

Простейшим примером может служить молекула хлористого водорода (HCl). Водород и хлор, вступая в реакцию, теряют свои свойства, характерные для газообразных Н₂ и Cl₂, поэтому считается, что в состав хлористого водорода входят элементы: водород и хлор. В молекуле данного соединения на один атом элемента водорода приходится один атом элемента хлора.

Масса атомов и молекул выражается в относительных атомных единицах массы (а.е.м.), принятых в 1961 г. За одну относительную атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы атома изотопа углерода ¹²С. Таким образом, масса атома или молекулы любого вещества представляется относительной величиной, показывающей, во сколько раз масса данного атома (молекулы) тяжелее выбранной атомной единицы массы.Относительную атомную массу обозначают А_r. Например,

А _r(О) = 16, А_r (C) = 12.

Аналогично относительную молекулярную массу веществ обозначают М _r, например, М_r (Н₂О) = 2 А_r (Н) + А_r (О) = 2 + 16 =18.

А_r и М_r – величины, которые не имеют единиц измерения.

При решении задач и в расчетах по уравнениям реакций гораздо чаще пользуются понятием «моль».

Моль – это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 граммах изотопа углерода ¹²C.

В одном моле любого вещества содержится совершенно одинаковое количество структурных единиц. Это число называют числом Авогадро и принимают его значение равным 6,02∙10²³.

Применяя слово «моль», необходимо в каждом случае точно указывать, какие единицы входят в данное вещество. Существуют понятия «моль атомов», «моль молекул» и т.д. Масса одного моля взятого вещества называется его молярной массой. Она выражается в г/моль.

Числовое значение молярной массы вещества в г/моль равно относительной молекулярной массе M_r, если вещество состоит из молекул, или относительной атомной массе A_r, если вещество состоит из атомов. Например, молярная масса атомарного кислорода равна – 16 г/моль, молекулярного кислорода – 32 г/моль.

Часто в химических расчетах используется понятие эквивалента.

Эквивалентом вещества называется такое его количество, которое соединяется без остатка с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Например, в соединениях HCl, H₂S и NH₃ эквивалент элементов хлора, серы и азота соответственно равен 1 моль, 1/2 моль и 1/3 моль. Масса одного эквивалента называется его эквивалентной массой или молярной массой эквивалента. Выражается в г/моль.

Так, в приведенном примере эквивалентные массы хлора, серы и азота легко подсчитать, используя молярные массы атомов этих элементов, они соответственно равны:

m _э(Cl) = 35,5 г/моль; m _э(S) = 32:2 = 16 г/моль; m _э(N) = 14:3 = 4,7 г/моль.

Из разобранных примеров видно, что эквивалентная масса элемента находится из соотношения:

Эквивалентная масса , или .

Понятие об эквивалентах и эквивалентных массах распространяется также на сложные вещества. Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с одним эквивалентом водорода или вообще с одним эквивалентом любого другого вещества.

1. Эквивалентная масса оксида складывается из значений эквивалентных масс, составляющих оксид элементов.

Примеры: а) ZnO: эквивалентные массы металла и кислорода соответственно равны половине молярных масс атомов:

г/моль, г/моль,

г/моль.

б) SO₃. Валентность серы в оксиде равна 6, следовательно,

г/моль;

г/моль.

2. Эквивалентная масса кислоты равна ее молярной массе, деленной на основность кислоты (число атомов водорода в молекуле кислоты).

Примеры: а) HNO₃. Молярная масса – 63 г/моль. Кислота одноосновная, следовательно, эквивалентная масса равна: 63:1 = 63 г/моль.

б) H₃PO₄. Молярная масса равна 98 г/моль. Основность равна 3.

г/моль

3. Эквивалентная масса основания равна его молярной массе, деленной на валентность металла, образующего основание.

Пример: Mg(OH)₂. Молярная масса его – 58 г/моль. Эквивалентная масса равна: 58: 2 = 29 г/моль.

4. Эквивалентная масса соли равна отношению ее молярной массы к произведению валентности металла на число его атомов в молекуле.

Примеры: а) Na₂CO₃. Молярная масса соли 106 г/моль. Валентность металла 1, число его атомов 2. Эквивалентная масса Na₂CO₃:

г/моль.

б) Al₂(SO₄)₃ Молярная масса – 342 г/моль:

г/моль.

5. Эквиваленты одних и тех же сложных веществ и их эквивалентные массы могут иметь различные значения, если их рассматривать не как отдельные вещества, а составные части химических реакций, в которых они участвуют.

Так, в примерах: эквивалент H₂CO₃ и его масса зависят от количества атомов водорода, участвующих в реакции, и соответственно равны:

H₂CO₃ + 2NaOH = Na₂CO₃ + 2H₂O;

г/моль, моль.

H₂CO₃ + NaOH = NaHСO₃ + H₂O;

г/моль, Э(Н₂СО₃) = 1 моль.

В реакциях Cr(OH)₃ с соляной кислотой на кислотный остаток было замещено различное число гидроксидных групп. Поэтому эквивалент и его масса будут различаться.

Cr(OH)₃ + 2HCl = CrOHCl₂ + 2H₂O;

г/моль, моль.

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂O;

моль/л, моль.

 

Известно несколько способов определения эквивалента.

I. Прямое или непосредственное определение эквивалента из соединения элементов с водородом или кислородом.

Пример 1. Рассчитать эквивалент железа в его оксиде FeO.

Эквивалент кислорода по определению равен 1/2 моля атомов, эквивалентная масса кислорода равна: 16: 2 = 8 г/моль. В данном соединении на ½ моля атомов кислорода приходится столько же, т.е. 1/2 моля атомов железа. Следовательно, эквивалент железа в данном оксиде равен ½ моля, а его эквивалентная масса: 56: 2 = 28 г/моль.

 

II. Определение эквивалента с помощью закона эквивалентов.

Закон эквивалентов (эквивалентных масс), предложенный в 1803-1814 гг. Дальтоном и Рихтером: Элементы и вещества соединяются друг с другом, а также замещают друг друга в химических реакциях в строго определенных весовых количествах, прямо пропорциональных их эквивалентам.

Математическая запись закона такова:

,

(1)

где m₁ и m₂ – массы взаимодействующих элементов или веществ, г;

m_Э1 и m_Э2 – соответственно эквивалентные массы этих веществ,

г/моль.

Пример 2. Определить эквивалентную и молярную массы трехвалентного металла, зная, что 0,52 г его при окислении образуют 0,98 г оксида.

Решение: В соответствии с законом эквивалентов

.

Массу кислорода определим по разности масс оксида и металла:

m_O = 0,98 – 0,52 = 0,46 г.

Эквивалентная масса кислорода известна, она равна 8 г/моль.

Тогда

г/моль.

Т.к. валентность металла равна 3, то его молярная масса

A = m_э(Me) · В = 9,0 · 3 = 27 г/моль.

 

Пример 3. Вычислите эквивалентную массу металла, если в его хлориде массовая доля хлора 79,78 %, эквивалентная масса хлора 53,45 г/моль.

Решение: Массовая доля w металла в хлориде равна:

w = 100 - 79,78 = 20,22 %.

Согласно закону эквивалентов отношение массы металла и массы хлора в соединении (20,22: 79,78) должно быть равно отношению их эквивалентных масс:

.

Отсюда г/моль.

 

Пример 4. Определите молярную массу двухвалентного металла, если 14,2 г оксида этого металла образуют 30,2 г сульфата металла.

Решение: Эквивалентная масса оксида металла равна:

m_э(MeO) = m_э(Me) + m_э(O) = m_э(Me) + 8.

Эквивалентная масса сульфата металла равна:

.

Согласно закону эквивалентов

;

m_э(Me) = 27,5 г/моль.

Т.к. валентность металла равна 2, то его молярная масса равна:

A = 27,5 · 2 = 55 г/моль.

 

III. Если в химической реакции одно из участвующих веществ находится в газообразном состоянии, то запись закона эквивалентов выражается формулой:

,

(2)

где m_(Me) и m_э(Me) – соответственно масса металла и его эквивалентная

масса;

V и V_э – объем вступившего в реакцию газа и объем эквивалентной

массы этого газа.

Для расчета объемов реагирующих газов необходимо знание закона Авогадро и его следствий.

 

Закон Авогадро (1911): В равных объемах различных газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.

Следствия из закона Авогадро:

1. Один моль любого газа при нормальных условиях (н.у. -температура 0 ºС и давление 760 мм рт.ст.) занимает один и тот же объем, равный 22,4 литра. Этот объем называют – молярным объемом газа: V_m = 22,4 л/моль.

2. Один моль любого газа содержит одно и то же число молекул, а именно 6,02 · 10²³.

3. Относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных (M) или относительных молекулярных масс:

.

 

На основании этих следствий можно проводить различные расчеты:

,

где ν; – количество моль вещества.

 

Пример 5. Рассчитать массу 3 л хлора, взятого при н.у.

Решение: Т.к. молярная масса хлора (Cl₂) равна 35,5 ∙ 2 = 71 г/моль, то из пропорции легко найти массу искомого объема:

;

г.

 

Пример 6. Сколько молей и сколько молекул содержится в 2,2 г углекислого газа? Какой объем они занимают при н.у.?

Решение: Т.к. молярная масса углекислого газа (СО₂) равна 44 г/моль, то

; моль.

; молекул.

Найдем объем газа при н.у.:

; л.

 

Пример 7. Определите массу молекулы газа, если масса 2 л газа (н.у.) равна 0,357 г.

Решение: Исходя из молярного объема газа определим молярную массу газа:

; г/моль

Число молекул в 1 моль любого вещества равно постоянной Авогадро. Следовательно, масса молекул газа m равна:

г.

 

Первое следствие из закона Авогадро позволяет рассчитать объемы эквивалентных масс различных газов.

Так, если эквивалентная масса водорода равна 1,008 г/моль, то её объем равен:

;

л/моль.

Подобным образом находится объем эквивалентной массы О₂, который оказывается равным:

л/моль.

 

Пример 8. При растворении 0,506 г металла в серной кислоте выделилось 100,8 мл водорода, измеренного при н.у. Определить эквивалентную массу металла.

Задачу можно решить двумя способами:

а) прямой, подстановкой данных в (2):

г/моль;

б) используя (1):

,

где m_э(H) = 1,008 г/ моль.

Для решения задачи в этом случае надо найти m (H₂). Согласно следствию из закона Авогадро

;

г.

Теперь найденное значение m _(H) подставим в (1):

г/моль.

 

Значения эквивалентных масс позволяют определить атомную массу металлов по формуле:

A = т _э · В,

Где В – валентность металла;

А – его молярная масса атома, г/моль.

Если же валентность металла неизвестна, то атомную массу можно определить через удельную теплоемкость. В данных расчетах используется правило Дюлонга и Пти: Произведение удельной теплоемкости простого твердого вещества на его атомную массу для большинства элементов приблизительно одинаково.

Полученная величина имеет среднее значение, равное 26,8 Дж/моль·К (6,3 кал/моль·град). Эта величина носит название атомной теплоемкости металлов (С_А) и представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 моля атомов металла на один Кельвин. Математически это правило имеет вид:

С_А = А · С ~ 26,8 Дж/моль·К,

где С – удельная теплоемкость металла, Дж/г·К;

А – атомная масса взятого металла, г/моль.

Под удельной теплоемкостью понимается то количество тепла, которое необходимо затратить для нагревания 1 г вещества на 1 Кельвин.

 

Пример 9. При окислении 0,16 г металла образовалось 0,223 г оксида. Вычислить точную атомную массу металла, зная, что удельная теплоемкость 0,635 Дж/г·К.

Решение: По правилу Дюлонга и Пти найдем приближенное значение атомной массы данного металла:

г/моль.

По (1) найдем эквивалентную массу этого металла. Масса кислорода 0,223 – 0,16 = 0,063 г.

г/моль.

Зная приближенную атомную массу металла и его эквивалентнуюмассу, можно найти валентность этого металла.

Полученное значение В округляем до целого числа:

.

Точная молярная масса металла находится из соотношения:

г/моль.

 

 

Экспериментальная часть