Практическое занятие 2: Эквивалент вещества.

Основные понятия и законы химии

Цель занятия: Повторение стехиометрических законов и основных характеристик химических соединений. Формирование и закрепление навыков решения задач с использованием основных химических законов.

Требования к знаниям, которые студент должен приобрести в результате освоения темы:

знатьпонятия: «химический элемент», «атом», «изотоп», «молекула», «вещество (простое и сложное)»; основные законы химии;

иметь представление о качественном и количественном составе вещества;

уметь применять знания закономерностей на конкретных примерах.

Теоретическая часть:

Химия – это наука, изучающая строение и свойства веществ и изменения, происходящие с веществами в процессе взаимодействия. Свойства веществ зависят от их элементного и молекулярного состава, структуры молекул, условий, в которых находится вещество в ходе химической реакции и уровня организации химического вещества.

Под химическим веществомпринято понимать совокупность ионов, атомов, молекул или радикалов определенного состава и строения, образующую однородную фазу. Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющие его химические свойства. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Для химических веществ характерны три агрегатных состояниях: газообразное, жидкое и твердое.

Все многообразие простых и сложных веществ создают химические элементы – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Простым называется вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. К простым веществам относятся такие газы как водород (Н₂), кислород (О₂), азот (N₂), чистые металлы и неметаллы. Некоторые химические элементы существуют в нескольких аллотропных модификациях (например, углерод в виде графита и алмаза), которые различаются по физическим и химическим свойствам. Под аллотропией понимают существование химических элементов в двух или более молекулярных либо кристаллических формах. Сложное вещество– вещество, состоящее из химически связанных атомов различных элементов (например, H₂O, NaСl, KOH, HNO₃). Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, ядра атомов которых содержат одинаковое число протонов, но отличаются числом нейтронов (следовательно, имеют разную атомную массу). В большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами.

Количественными характеристиками вещества являются:

Ø относительная атомная масса (A_r,а.е.м.) – масса атома, выраженная в атомных единицах массы. Атомная единица массы составляет 1/12 часть массы нуклида ¹²С (1 а.е.м. = 1,6605·10^-27 кг);

Ø относительная молекулярная масса(M_r, а.е.м.) – масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы;

Ø молярная масса (M, г/моль) – масса одного моля вещества, то есть величина, равная отношению массы к количеству вещества. Моль (ν или n) – количество вещества, содержащее определяемое числом Авогадро (N_A) количество структурных единиц. N_A = 6,022·10²³ моль^-1;

Ø молярный объем (V_М) – объем, занимаемый 1 моль газообразного вещества при нормальных условиях (н.у.): давлении 101,325 кПа (или 760 мм. рт. ст.) и температуре 0 ⁰С (273 К). Так как в 1 моль вещества содержится постоянное число частиц, то любое газообразное вещество при н.у. будет занимать одинаковый объем, равный 22,4 л (следствие из закона Авогадро). Таким образом V_М = 22,4 л/моль.

Количество вещества, моль, часто используется при химических расчетах. Математически количество вещества можно выразить следующим образом:

ν = m/ M, моль;

ν = V/ V_М, моль;

ν = N/ N_A, моль;

где m, V, N – соответственно масса (г), объем (л) и количество структурных единиц вещества.

К основным химическим законам относятся:

Ø закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (М.В. Ломоносов, 1748 г.);

Ø закон постоянства состава: любое химическое соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения (Ж. Пруст, 1801 г.);

Ø закон кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа (Д. Дальтон, 1803 г.);

Ø закон объемных отношений: объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808 г.)

Ø закон Авогадро: в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число частиц (атомов и молекул) (А. Авогадро, 1811 г.).

Практическая часть (примеры решения задач):

Задача 1: Какое количество структурных единиц (молекул и атомов) содержится в 5,6 л кислорода (н.у.)? Какова будет масса для указанного объема?

Решение: Молярный объем любого газа при н.у. составляет 22,4 л/моль. Следовательно, количество вещества, заключенное в объеме 5,6 л составит:

ν = V/ V_М = 5,6 : 22,4 = 0,25 моль;

Молярная масса кислорода (О₂) М = 32 г/моль. На основании рассчитанного количества вещества и приведенных ранее формул находим его массу и количество молекул:

m = ν · M = 0,25 · 32 = 8 г;

N_мол = ν · N_A = 0,25 · 6,022·10²³ = 1,506·10²³ молекул;

Поскольку одна молекула кислорода содержит 2 атома, то количество атомов, содержащихся в заданном объеме кислорода, будет вдвое больше, чем количество молекул:

N_ат = 2 · N_мол = 2 ·1,506 · 10²³ = 3,012 ·10²³ атомов.

Задача 2: Определить массу одной молекулы азотной кислоты

Решение: Молярная масса азотной кислоты 63 г/моль. Так как моль любого вещества содержит число Авогадро структурных единиц, масса одной молекулы азотной кислоты составит:

m_мол = M/ N_A = 63 : 6,022 · 10²³ =1,046 · 10^-22 г;

Задача 3: Относительная плотность некоторого газа по водороду равна 14. Определить относительную плотность этого газа по азоту и установить формулу газа.

Решение: Относительной плотностью (D) одного газа по другому называют отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа (условия должны быть одинаковы).

Поскольку в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро), отношение масс равных объемов газов будет равно отношению их молярных масс:

m₁/m₂ = M₁/M₂

Таким образом:

D = M₁/M₂

Отсюда

M₁ = D ∙ M₂

Молярная масса водорода (Н₂) М₂ = 2 г/моль. Поэтому молярная масса определяемого газа будет

M₁ = D ∙ M₂ = 14 · 2 = 28

Рассчитаем плотность данного газа по кислороду (О₂) с M₂ = 32 г/моль

D = M₁/M₂ = 28 : 32 = 0,875

Теперь определим формулу газа. Рассчитанной молярной массе 28 г/моль соответствуют два газа:

азот (N₂) М = 14 ∙ 2 = 28 г/моль;

оксид углерода (II) или угарный газ (CO) М = 12 + 16 = 28 г/моль;

Задача 4: Какой объем газа выделится при термическом разложении 400 г карбоната кальция?

Решение: Процесс термического разложения карбоната кальция выражается уравнением:

CaCO₃ = CaO + CO₂

Молярная масса карбоната кальция 100 г/моль. Количество вещества карбоната кальция, участвующего в реакции, составило

ν = m/ M = 400 : 100 = 4 моль;

Так как по уравнению реакции при разложении 1 моль карбоната кальция выделяется 1 моль углекислого газа, при разложении 4 моль CaCO₃ выделится также 4 моль CO₂, объем которого (н.у.) составит

V = ν ∙ V_М= 4 ∙ 22,4 = 89,6 моль

Контрольные вопросы:

1. Определите следующие понятия: «химический элемент», «атом», «изотоп», «молекула», «простое вещество», «сложное вещество», «аллотропия».

2. Определите количественные характеристики вещества: моль, молярная масса и молярный объем, относительная атомная и относительная молекулярная масса. Объясните применение перечисленных величин на примере.

3. Сформулируйте закон сохранения массы, закон постоянства состава, законы кратных и объемных отношений. Каким образом применяются эти законы при химических расчетах?

4. Сформулируйте закон Авогадро и следствия из него. Чему равна постоянная Авогадро?

5. Какие условия называются нормальными?

Контрольные задания:

1. Какое количество атомов кислорода содержится в 4,9 г серной кислоты?

2. Какой объем займут 14,2 г хлора при н.у.?

3. Определить молярную массу газа, плотность которого по воздуху равна 1,5.

4. Рассчитать объем и массу кислорода (н.у.), необходимого для окисления 96 г оксида серы до оксида серы (VI).

Рекомендуемая литература:

1. Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие / Н. Л. Глинка; под ред. А. И. Ермакова. – М.: Интеграл-Пресс, 2009. – 728 с.

2. Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: учеб. пособие: рек. Мин. обр. РФ/ Н.Л. Глинка. – Л.: Химия, 2006. – 240 с.

3. Тестовые задания по общей и неорганической химии с решениями и ответами: учеб. пособие / Р. А. Лидин [и др.]. – М.: БИНОМ; М.: Лаборатория знаний, 2004. – 231 с.

4. Родина, Т.А. Практикум по общей и неорганической химии: учеб. пособие/ Т.А. Родина, А.В. Иванов, В.И. Митрофанова; АмГУ, ИФФ. – Благовещенск: Изд-во Амур. гос. ун-та, 2008. – 208 с.

5. Охотникова Г.Г. Концепции современного естествознания: учеб. пособие/ Г.Г. Охотникова, Т.А. Родина, С.А. Лескова; АмГУ, ИФФ. Ч 4: Концептуальные системы химии. – Благовещенск: Изд-во Амур. гос. ун-та, – 2010. – 108 с.

Практическое занятие 2: Эквивалент вещества.

Закон эквивалентов

знать: закон эквивалентов;

иметь представление об эквиваленте вещества, факторе эквивалентности, молярной массе эквивалента;

уметь характеризовать свойства и находить количественные характеристики веществ (эквивалент, фактор эквивалентности).

Теоретическая часть:

Под эквивалентом (химическим) элемента принято понимать его массу, выраженную в углеродных единицах, которая присоединяет или замещает в химических реакциях одну атомную массу водорода или половину атомной массы кислорода.

Важной количественной характеристикой является молярная масса эквивалента вещества (М_Э,г/моль), представляющая собой массу одного эквивалента данного вещества:

М_Э = М ∙ f_Э

где М – молярная масса вещества, г/моль;

f_Э – фактор эквивалентности.

Фактор эквивалентности – это безразмерная величина, показывающая, какая часть моля элемента/вещества эквивалентна 1 моль атомов водорода или 1 моль ионов водорода.

Для простых веществ фактор эквивалентности обратно пропорционален валентности (f_Э = 1/валентность). Поскольку валентность многих элементов не является постоянной величиной, фактор их эквивалентности тоже не будет константой. Для более сложных соединений фактор эквивалентности может быть определен из следующих соотношений:

f_Э (кислоты)= 1/основность кислоты;

f_Э (основания)= 1/кислотность основания;

Для сложных веществ молярная масса эквивалента представляет собой сумму молярных масс эквивалентов образующих вещество компонентов, например:

М_Э (соли)= М_Э (металла) + М_Э (кислотного остатка)

М_Э (основания)= М_Э (металла) + М_Э (гидроксогруппы)

М_Э (оксида металла)= М_Э (металла) + М_Э (кислорода)

Характеристикой газообразных веществ помимо молярной массы эквивалента может служить молярный объем эквивалента (V_Э,л/моль), то есть объем 1 моль эквивалента (объем, занимаемый молярной массой эквивалента). По аналогии с молярной массой эквивалента молярный объем эквивалента определяется как

V_Э = V_М ∙ f_Э

а при нормальных условиях (н.у.):

V_Э = 22,4 ∙ f_Э

Согласно закону эквивалентов (И. Рихтер, 1792 г.; У. Волластон, 1807 г.) отношения масс вступающих в химическое взаимодействие веществ равны или кратны их химическим эквивалентам.

Следствием закона эквивалентов является пропорциональность масс / объемов реагирующих веществ и продуктов реакции молярным массам / молярным объемам их эквивалентов. Математически такая пропорциональность выглядит следующим образом. Для любых двух веществ А и В, являющихся реагентами или продуктами химической реакции справедливо:

=

=

=

где m_A и m_B – массы веществ А и В, являющихся реагентами или продуктами химической реакции, г;

и – молярные массы эквивалентов веществ А и В, г/моль;

V_A и V_B – объемы веществ А и В, г/моль;

и – молярные объемы эквивалентов веществ А и В, л/моль.

Практическая часть (примеры решения задач):

Задача 1: Определить молярные массы эквивалентов серной кислоты в реакциях образования сульфата натрия и гидросульфата натрия

Решение: Уравнение образования сульфата натрия имеет вид:

2Na + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂

В ходе данной реакции оба атома водорода в серной кислоте замещаются на атомы натрия, то есть в реакцию вступают два иона Н⁺ (кислота проявляет основность 2). В этом случае эквивалентом H₂SO₄ будет являться условная частица ½ H₂SO₄, т.к. если одна молекула H₂SO₄ предоставляет два иона Н⁺, то один ион Н⁺ дает половина молекулы H₂SO₄. Таким образом, фактор эквивалентности серной кислоты в реакции образования сульфата натрия f_Э = ½. Так как молярная масса эквивалента определяется по формуле

М_Э = М ∙ f_Э

а молярная масса серной кислоты М = 98 г/моль

М_Э = 98 ∙ ½ = 49 г/моль

Запишем уравнение образования гидросульфата натрия:

Na + H₂SO₄ = NaНSO₄ +½H₂

В ходе данной реакции только один атом водорода в серной кислоте замещаются на атом натрия, то есть в реакцию вступают один ион Н⁺ (кислота проявляет основность 1). Поэтому фактор эквивалентности серной кислоты в реакции образования гидросульфата натрия f_Э = 1, а молярная масса эквивалента серной кислоты:

М_Э = 98 ∙ 1 = 98 г/моль

Задача 2: Азот образует несколько оксидов. В одном из них массовая доля азота составляет 25,926 %. Определите молярную массу эквивалента азота в данном оксиде и укажите его формулу.

Решение: Поскольку оксид азота состоит только из двух элементов – азота и кислорода, определим массовую долю кислорода в оксиде:

ω(О) = 100 – ω(N) = 100 – 25,926 = 74,074 %

Так как условиями задачи не оговорена масса оксида азота, примем ее равной 100 г. Тогда масса азота в оксиде будет m(N) = 25,926 г, а масса кислорода – m(O) = 74,074 г.

Найдем молярную массу эквивалента азота из формулы:

=

=

Для выполнения расчетов необходимо определить молярную массу эквивалента кислорода. Так как 1 моль атомов кислорода вступает в реакцию с 2 моль атомов водорода, фактор эквивалентности для кислорода будет f_Э = ½ и молярная масса эквивалента составит

= М ∙ f_Э = 16 ∙ ½ = 8 г/моль

= = 2,8 г/моль

Зная молярную массу атомарного азота М_N = 14 г/моль и молярную массу эквивалента азота = 2,8 г/моль, найдем фактор эквивалентности азота в оксиде:

f_Э = М_N : = 2,8 : 14 = 1/5

Следовательно, валентность азота в оксиде равна 5, формула оксида N₂O₅.

Задача 3: Определите молярную массу эквивалента металла, если при восстановлении 21,66 г его оксида образовалось 20,06 г металла.

Решение: Запишем закон эквивалентов для данного процесса:

=

Так как нам неизвестна молярная масса эквивалента оксида, воспользуемся составом оксида. Оксид металла состоит только из двух элементов – металла и кислорода, поэтому закон эквивалентов будет иметь вид:

=

=

Отсюда с учетом = 8 г/моль (см. задачу 2) и данных задачи

= 100,3 г/моль

Задача 4. Фосфат натрия Na₃PO₄ массой 77,5 г в водном растворе прореагировал без остатка с хлороводородной кислотой HCl массой 34,5 г. Вычислите молярную массу эквивалента фосфата натрия. Напишите уравнение реакции.

Решение: Согласно закону эквивалентов

=

отсюда

=

Так как соляная кислота содержит только 1 атом водорода (основность равна 1), ее f_Э = 1, следовательно

M_э(HCl) = M_HC) = 36,5 г/моль

= = 82 г/моль

Молярная масса фосфата натрия M(Na₃PO₄) = 164 г/моль. Зная молярную массу фосфата натрия и молярную массу эквивалента этого соединения в рассматриваемом процессе взаимодействия с соляной кислотой, найдем число ионов водорода H⁺, замещающих в молекуле Na₃PO₄ ионы натрия Na⁺:

M(Na₃PO₄) : M_э(Na₃PO₄) = 164 : 82 = 2

Следовательно, уравнение реакции будет иметь вид:

Na₃PO₄ + 2HCl = NaH₂PO₄ + 2NaCl

Контрольные вопросы:

1. Что называется эквивалентом вещества?

2. От чего зависит эквивалент химического элемента?

3. Как определить эквивалент химического соединения?

4. Какая величина называется молярной массой эквивалента?

5. Приведите примеры расчета молярной массы эквивалента для химических соединений, относящихся к различным классам.

6. Сформулируйте закон эквивалентов и приведите его математическое выражение.

7. Запишите закон эквивалентов в виде, необходимом для расчета молярной массы эквивалента металла при образовании его сульфата, нитрата, гидроксида, если известны масса металла и масса образовавшегося соединения.

Контрольные задания:

1. Определить фактор эквивалентности и молярные массы эквивалентов элементов в HCl, H₂O, NH₃

2. Металл образует два хлорида, содержащих соответственно 73,86 и 84,96 % (масс.) металла. Вычислить молярные массы эквивалента металла в каждом соединении

3. Рассчитайте молярную массу эквивалента железа, если при взаимодействии 5,6 г этого металла с серой образуется 8,8 г сульфида железа. Эквивалентная масса серы 16 г/моль.

4. Какая масса металла вступила в реакцию, если при его сгорании образовалось 9,43 г оксида металла. Молярная масса эквивалента оксида металла 17 г/моль.

5. При реакции металла массой 0,43 г с кислотой выделилось 123,3 мл водорода. В ходе другой реакции этот же металла массой 1,555 г взаимодействует с 1,415 г неметалла. Определить молярную массу эквивалента неметалла.

Рекомендуемая литература:

1. Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие / Н. Л. Глинка; под ред. А. И. Ермакова. - М.: Интеграл-Пресс,2004, 2006, 2008, 2009. - 728 с.

2. Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: учеб. пособие: рек. Мин. обр. РФ/ Н.Л. Глинка. – Л.: Химия, 2006. – 240 с.

3. Ахметов, Н.С. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии: Учеб. пособие: Рек. Мин. обр. РФ / Ахметов Н.С., Азизова М.К., Бадыгина Л.И. - М.: Высш. шк., 2002. - 368с. с.

4. Тестовые задания по общей и неорганической химии с решениями и ответами: учеб. пособие / Р. А. Лидин [и др.]. - М.: БИНОМ; М.: Лаборатория знаний, 2004. - 231 с.

5. Родина, Т.А. Практикум по общей и неорганической химии: учеб. пособие/ Т.А. Родина, А.В. Иванов, В.И. Митрофанова; АмГУ, ИФФ. – Благовещенск: Изд-во Амур. гос. ун-та, 2008. – 208 с.