Понятие об эквиваленте. Эквиваленты веществ в реакциях разного типа. Способы выражения концентрации растворов.

 

 

Понятие об эквиваленте

 

Любые  химические взаимодействия можно записать с помощью химических реакций. Несмотря на  многообразие химических реакций, все они протекают, подчиняясь определенным законам: закону сохранения массы веществ, закону кратных отношений, а также закону эквивалентов – одному из важнейших законов не только химии, но и всей человеческой жизни. Звучит он следующим образом:

Все вещества вступают в реакции в эквивалентных количествах.

В жизни мы постоянно сталкиваемся с законом эквивалентов, когда, например,  совершаем покупки – за буханку Урожайного мы отдадим 14 руб,  значит, 14 руб и буханка хлеба  - эквивалентны. Правда, в разных городах стоимость Урожайного может быть различна, следовательно,  величина эквивалента будет зависеть от условий, в которых происходит обмен.

Прежде чем дать определение химического эквивалента, вспомним, что в химии принято использовать свои единицы измерения количества вещества. Так, количество вещества принято выражать в молях. Понятие моля относится к тому же ряду, что и понятия «тысяча», «миллион», «миллиард»,  но оно предназначено  для подсчета еще большего числа частиц. Один моль содержит 6,0 ^.10²³ структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов или каких-либо других частиц). Столько атомов содержится в  12 г изотопа углерода ¹²С. Понятие моля относят не только к реальным, но и к  условным частицам, в частности к эквивалентам. Эталона моля, аналогичного эталонам единиц других физических величин - метра,  килограмма и т.п. - не существует, моль - чисто расчетная величина.

          Масса 1 моль вещества называется молярной массой, она обозначается символом M и измеряется в г/моль. Молярная масса характеризует только чистые вещества, имеющие определенную химическую формулу. Численно молярная масса вещества равна его относительной молярной массе – безразмерной величине, которую легко вычислить по химической формуле вещества и таблице атомных масс, выраженных в атомных единицах массы.  Так, для нахождения массы одного моля воды, формула которой Н₂О, надо сложить атомные массы водорода и кислорода, причем атомную массу водорода надо умножить на 2 – по числу атомов, входящих в состав молекулы.

М = 2^.1+16=18 г/моль.   Следовательно, 1 моль воды равен 18 граммам. 

 

Чтобы узнать, сколько молей вещества содержится в некоторой его массе, надо разделить массу вещества на его молярную массу. Например, вычислим, сколько молей воды содержится в 540 г. Количество молей будем обозначать буквой n, а массу вещества – m.

Эквивалент – та часть моля вещества, которая взаимодействует (отдает или принимает)  с 1 в.ч. водорода или с 8 в.ч. кислорода  или вытесняет их в ходе реакции.

        Таким образом, эквивалентом  называют условную частицу,  представляющую некоторую часть реальной молекулы (иона, атома).

Вычисления эквивалентов веществ разных классов проводят по следующим формулам:

- эквивалент кислоты- отношение молярной массы кислоты к числу атомов Н, входящих в состав молекулы:   Э к-ты = М / к-во Н

- эквивалент оснований – отношение молярной массы основания к числу групп ОН^-, входящих в состав молекулы:   Э осн = М / к-во ОН

- эквивалент солей – отношение молярной массы соли к произведению числа атомов металла, входящих в состав соли, умноженное на валентность металла:  

Э соли М/ (вал-сть Ме ^. к-во Ме)

- эквивалент оксидов – отношение молярной массы оксида к удвоенному числу атомов кислорода, входящих в состав молекулы: Э оксида  = М / 2 О

            Эквивалент вещества может меняться, в зависимости от условий протекания химической реакции. Какую именно часть молекулы (целую молекулу, половину, треть и т.п.) следует в данном случае считать одним эквивалентом - покажет уравнение химической реакции. Так, для кислотно-основных реакций эквивалент соответствует одному отдаваемому или принимаемому протону. Если в ходе реакции одна молекула Х отдает или принимает  один или два  протона, эквивалент Х условно составляет целую или ½  часть молекулы Х соответственно.  Например, молярная  масса эквивалента угольной кислоты может быть равна  молярной массе  H₂CO₃  или половине этой массы, в зависимости от того, сколько протонов отдает  молекула H₂CO₃. Для  реакции

H₂CO₃   +  NaOH   =  NaHCO₃   +    H₂O

эквивалент H₂CO₃  составляет целую молекулу, а для реакции

   H₂CO₃   +  2 NaOH   =  Na₂CO₃   +    2H₂O,

в которой молекула  H₂CO₃ отдает два протона, эквивалент H₂CO₃  - «половина»  молекулы.

В общем случае, в реакции:

                                                 а Х  +  в В  =  с С  + d D

одна частица Х эквивалентна  b/a  частицам B. Отношение  b/a – называют фактор эквивалентности.

 

      Упражнения. Вычислить молярную массу веществ: серная кислота, вода, гидроксид натрия, соляная кислота, сульфат натрия, гидроксид железа, хлорид натрия, карбонат натрия.

Составить уравнения реакций:

- соляная кислота + гидроксид натрия:                       HCl + NaOH =

- серная кислота + 1 моль гидроксида натрия:          H₂SO₄ + NaOH =

- серная кислота + 2 моля гидроксида натрия:           H₂SO₄ + 2 NaOH =

- 2 моля гидроксида натрия + сульфат меди:             NaOH +CuSO₄  =

Расчет эквивалентов веществ.

Вычислить эквиваленты  соляной, серной, фосфорной кислот, гидроксидов натрия, кальция, железа (3), карбоната натрия.

Эквиваленты веществ в реакциях различного типа.

 Попробуйте самостоятельно вычислить эквиваленты веществ в следующих реакциях:

 Карбонат натрия + 1 моль соляной кислоты

Карбонат натрия + 2 моля соляной кислоты

Гидроксид натрия + 1 моль фосфорной кислоты

Гидроксид натрия + 2 моль фосфорной кислоты

Гидроксид натрия + 3 моль фосфорной кислоты

 

Способы выражения концентрации растворов

 

         В ходе анализа рассчитывают концентрации, то есть количества веществ в определенном объеме (V) раствора. Существует несколько способов выражения концентраций растворов.

 

Массовая доля

 

Состав растворов и других объектов сложного состава часто характеризуют долями компонентов, в частности, массовыми долями. Массовая доля (w ) - отношение массы Х  к суммарной  массе всех компонентов, то есть к массе растовра (пробы)пробы

    w =  m_X  /  S m .

Массовую долю часто выражают в %, принимая массу пробы за 100%. В этом случае ее называют процентной концентрацией (w, %). Численно она равна числу граммов растворенного вещества, содержащегося в 100 граммах раствора.

Процентные концентрации можно использовать для характеристики раствора даже в тех случаях, когда молярная масса растворенного вещества неизвестна или когда растворенное вещество является смесью разных компонентов. Очень низкие массовые доли (процентные содержания микропримесей) иногда выражают в особых единицах – частях на миллион (ppm), частях на миллиард (ppb) и частях на триллион (ppt).

1 ppm  = 10^-6  = 10^-4 %;               1 ppb  = 10^-9  =  10^-7 % ,                       1 ppt  = 10^-12  =  10^-10 %

 

Упражнение

Сколько г. хлорида натрия следует взять для приготовления  200 г 5%-го раствора.

 

Молярная  концентрация

 

Отношение числа молей растворенного вещества  к объему раствора называют молярной концентрацией, ее обозначают символом С и измеряют в моль/дм³. Очевидно, С = n / V. Так как 1 дм³ в точности равен 1 литру, концентрацию раствора можно выражать и в моль/л.  Эту единицу иногда сокращенно обозначают символом М. Часто в растворе содержится сразу несколько растворенных веществ, поэтому, записывая молярную концентрацию, желательно указывать в скобках те частицы, количество которых характеризуют. Так, запись С(С₂H₅OH) = 0,02 М показывает  концентрацию раствора, выраженную числом молей С₂H₅OH в 1 литре этого раствора. Аналогично, запись С (SO₄^2-) указывает, сколько молей ионов  SO₄^2- содержится  в 1 литре раствора.

 Массу растворенного вещества,  m,  в некотором объеме раствора (V),  с молярной концентрацией С,  можно найти по формуле:

m=C^.V^.M,

где М- молярная масса вещества.

Если объем выражен в литрах, то вычисленная масса будет выражена в граммах, если в миллилитрах – то масса – в миллиграммах.

Упражнения

Сколько г. гидроксида натрия  следует взять для приготовления 1 литра 0,1 М раствора

Сколько г. хлорида натрия следует взять для приготовления 0,25 литра 0,05 М раствора

Сколько г. щавелевой кислоты  следует взять для приготовления 0,2 литра 0,01 М раствора

 

 

 

 

Нормальная (молярная концентрация эквивалента)

 

В химических методах предпочтительнее пользоваться концентрациями, характеризующими число молей эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора. Молярные концентрации, выраженные таким образом, нередко называют нормальными, и обозначают как С_н или N, хотя международные объединения химиков теперь не рекомендуют использовать этот термин. Запись С (1/5 КMnO₄) = 0,004 М означает, что в 1 литре раствора содержится 0,004 моль эквивалентов KMnO₄  - условных частиц, составляющих 1/5 молекулы KMnO₄. При этом С (1/5 КMnO₄) = 5 С (КMnO₄).  

Поскольку эквивалент вещества зависит от того, какая протекает реакция, то и нормальная концентрация одного и того же раствора может быть различна. Например, концентрация  угольной кислоты, выраженная  числом  молей эквивалентов  H₂CO₃  в литре раствора (нормальная концентрация), может  быть  либо равной молярной концентрации  H₂CO₃ , либо  вдвое большей величиной. Есть полезное правило:  нормальная концентрация раствора Х  либо равна молярной, либо в k раз больше, где  k  -  число  протонов (электронов), которое отдает или принимает одна молекула Х  в данной реакции.

 

Кроме  молярных и нормальных, существуют и другие виды концентраций

 

Титр , или массовая  концентрация  равна отношению массы растворенного вещества к объему раствора, она измеряется в кг/дм³ (или кг/л). Допускается выражать массовую концентрацию в других  единицах:  г/л, мг/л,   мкг/л,  мкг/мл. 

            Молярные и процентные концентрации однотипных растворов приблизительно пропорциональны друг другу. Пересчитывать одни концентрации в другие в ходе выполнения анализа приходится довольно часто, и для пересчета  удобно пользоваться формулами:

                                            С  =  10 rw_% / M                            

                                            w_%  = CM / 10 r                          

где r - плотность раствора, выраженная в кг/дм³  или, что то же самое,  в г/мл. Для разбавленных водных растворов  величину  r можно считать приблизительно равной единице.