Фактор эквивалентности и эквивалентная масса вещества определяются реакцией, в которой принимает участие вещество. У одного и того же вещества фактор эквивалентности и эквивалентная масса в различных реакциях могут быть различны.
Молярная масса эквивалента кислоты зависит от числа замещаемых атомов водорода.
Запишем уравнения реакций образования:
– дигидрофосфата калия:
H3PO4 + КOH = КH2PO4+H2O
Так как в молекуле ортофосфорной кислоты H3PO4 замещается 1 атом водорода, фактор эквивалентности fэкв H3PO4 в этой реакции равен 1:
f экв. (H3PO4) = 1.
Молярная масса ортофосфорной кислоты H3PO4 равна 97,995 г/моль. Определяем эквивалентную массу ортофосфорной кислоты H3PO4 для этой реакции:
Мэ (Н3РО4) = 97,995/1 = 97,995 г-э/моль.
– гидрофосфата калия:
H3PO4 + 2КOH = К2HPO4 + 2H2O
В этой реакции в молекуле ортофосфорной кислоты H3PO4 замещается 2 атома водорода, фактор эквивалентности fэкв H3PO4 в этой реакции равен 1/2:
f экв. (H3PO4) = 1/2.
Определяем эквивалентную массу ортофосфорной кислоты H3PO4 для этой реакции:
Mэ = 97,995/2 = 48,998 г-экв/моль
— ортофосфата калия:
H3PO4 + 3КOH = К3PO4 + 3H2O
В этой реакции в молекуле ортофосфорной кислоты H3PO4 замещается 3 атома водорода, фактор эквивалентности fэкв H3PO4 в этой реакции равен 1/3:
f экв. (H3PO4) = 1/3
Определяем эквивалентную массу ортофосфорной кислоты H3PO4 для этой реакции:
Мэ = 97,995/3 = 32,665 г-экв/моль
Ответ:
фактор эквивалентности ортофосфорной кислоты в реакции образования дигидрофосфата равен 1, молярная масса эквивалента равна 97,995 г-э/моль;
фактор эквивалентности ортофосфорной кислоты в реакции образования гидрофосфата равен 1/2, молярная масса эквивалента равна 48,998 г-экв/моль;
фактор эквивалентности ортофосфорной кислоты в реакции образования ортофосфата равен 1/3, молярная масса эквивалента равна 32,665 г-экв/моль.
Химический эквивалент является одним из основных понятий в химии. Эта характеристика вещества, несмотря на свою простоту, часто достаточно запутанна и вызывает ряд затруднений.
Содержание:
1 Химический эквивалент и фактор эквивалентности
1.1 Химический эквивалент в реакциях обмена
1.2 Химический эквивалент в окислительно-восстановительных реакциях
2 Молярная масса эквивалента
3 Химический эквивалент и количественный анализ. Закон эквивалентов
4 Химический эквивалент элемента и сложного вещества
В знаменитом толковом словаре русского языка С.И. Ожегова эквивалент трактуется как «нечто равноценное другому, вполне заменяющее его». Что это значит? Например, книга стоит 500 рублей. Таким образом, 500 рублей – это денежный эквивалент данной книги.
Понятие «эквивалент» в химии относится к реакциям окислительно-восстановительным, ионного обмена, используется при определении концентрации раствора, в реакциях электро-аналитических методов анализа.
Эквивалент является безразмерной величиной.
Химический эквивалент и фактор эквивалентности
Химический эквивалент в реакциях обмена
Разберемся с понятием «химический эквивалент» на примере реакции обмена.
Например, карбонат натрия Na2CO3 и соляная кислота HCl, взаимодействуя между собой, приведут к образованию разных продуктов реакции.
Здесь оба исходных вещества (Na2CO3 и HCl) реагируют друг с другом в соотношении 1:1, т.е. на одну частицу соли приходится одна частица кислоты. Это и есть эквивалентные количества реагирующих веществ. Химическим эквивалентом карбоната натрия в данном случае является одна частица Na2CO3, а эквивалентом соляной кислоты будет одна молекула HCl.
В другом случае оба вещества взаимодействуют иначе:
Исходные вещества реагируют в соотношениях 1:2. То есть с одной частицей соли взаимодействуют 2 молекулы кислоты. Что же здесь будет являться эквивалентом? При определении эквивалента принято сравнивать количество частиц исходного вещества с одним ионом (или атомом) водорода, с которым это исходное вещество может провзаимодействовать (или заместить) в реакции.
В данном случае ионы (атомы) водорода входят в состав соляной кислоты. Тогда в пересчете на одну молекулу HCl (или что то же самое, на один ион Н+), с ней будет реагировать только половина частицы (1/2 часть) Na2CO3. То есть соотношение реагирующих веществ будет 1/2:1. Таким образом, в данной реакции химическим эквивалентом соли является половина частицы Na2CO3. Химическим эквивалентом кислоты является одна молекула HCl.
Очевидно, что в реальности половины частицы Na2CO3 не существует. Поэтому говорят об условной частице вещества, когда определяют ее эквивалент.
Итак, химический эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в данной химической реакции может прореагировать (или заместить) один атом (или ион) водорода или прореагировать с одним эквивалентом любого другого вещества.
Фактор эквивалентности ƒэкв – количественная характеристика эквивалента, он используется в расчетах.
Фактор эквивалентности показывает, какая доля частицы вещества прореагировала (заместила) в данной химической реакции один ион (атом) водорода.
Так, в первом случае, ƒэкв(Na2CO3)=1, а во втором – ƒэкв(Na2CO3)=1/2. Для соляной кислоты в обоих случаях ƒэкв(HCl)=1.
Рассмотрим другой пример реакции обмена: взаимодействие фосфорной кислоты и гидроксида калия. Определим ее эквивалент и фактор эквивалентности по отношению к одному эквиваленту гидроксида калия.
Фосфорная кислота H3PO4 является многоосновной кислотой. Для подобных кислот (двух- и трехосновных) необходимо учитывать стехиометрию конкретных реакций.
В данном случае одна молекула фосфорной кислоты реагирует с одной частицей гидроксида калия. Поэтому эквивалентом является одна молекула H3PO4. И тогда ее ƒэкв (H3PO4)=1.
А здесь одна молекула фосфорной кислоты реагирует с двумя частицами гидроксида калия. То есть в реакции участвует половина молекулы H3PO4. Это и есть ее эквивалент, который численно выражается фактором эквивалентности ƒэкв(H3PO4)=1/2.
Одна молекула H3PO4 реагирует с тремя частицами КОН. Таким образом, эквивалентом фосфорной кислоты здесь будет одна треть молекулы H3PO4. Тогда фактор эквивалентности ƒэкв(H3PO4)=1/3.
Определение эквивалента и фактора эквивалентности в реакциях обмена для оснований, солей также зависит от стехиометрии реакции.
Химический эквивалент в окислительно-восстановительных реакциях
В окислительно-восстановительных реакциях (ОВР), в отличие от реакций обмена, происходит переход электронов от одного вещества к другому, изменяются степени окисления окислителя и восстановителя. Именно эти процессы и важны при определении эквивалента и фактора эквивалентности в ОВР.
Рассмотрим примеры. Начнем с самого простого.
Взаимодействие водорода и кислорода с образованием воды – это окислительно-восстановительная реакция. В ней восстановителем является водород Н2, а окислителем – О2.
При определении эквивалентов в ОВР ориентируются на то, какая часть частицы принимает или отдает 1 (один) электрон.
Запишем еще раз каждую из полуреакций. Для восстановителя:
Одна молекула Н2 отдает 2ē. Тогда половина молекулы Н2 (а это один атом Н) отдаст 1ē. Следовательно, эквивалентом восстановителя в данной реакции будет половина (1/2 часть) молекулы Н2. И фактор эквивалентности ƒэкв(H2)=1/2.
Для окислителя:
Одна молекула О2 принимает 4ē. Тогда четверть этой молекулы (а это половина атома О) примет 1ē. Следовательно, эквивалентом окислителя в данной реакции будет 1/4 часть молекулы О2 (это условная частица, поскольку реально 1/4 часть молекулы О2 не существует). И фактор эквивалентности ƒэкв(О2)=1/4.
Рассмотрим еще один пример. Так, KMnO4 является сильным окислителем и в любых ОВР всегда проявляет только окислительные свойства. Эквивалент KMnO4 будет отличаться в зависимости от того, в какой ОВР участвует это вещество.
Реакция между сульфитом натрия и перманганатом калия протекает в кислой среде. Из полуреакции восстановления видим, что один ион MnO4— принимает 5ē для перехода в ион Mn2+. Тогда 1ē может принять условная частица, представляющая одну пятую часть (1/5) иона MnO4—. Таким образом, эквивалентом окислителя в данной реакции будет одна пятая часть (1/5) KMnO4. Для окислителя фактор эквивалентности составит ƒэкв(KMnO4)=1/5.
С тем же сульфитом натрия перманганат калия в нейтральной среде реагирует иначе.
Как ясно из приведенной полуреакции восстановления, одна третья часть (1/3) иона MnO4— принимает 1ē. Фактор эквивалентности окислителя в этом случае составит ƒэкв(KMnO4)=1/3.
Взаимодействие сульфита натрия и перманганата калия осуществляется и в щелочной среде:
В данном случае эквивалентом является одна частица KMnO4, поскольку, согласно полуреакции восстановления, речь идет о принятии 1ē. И фактор эквивалентности окислителя в таком случае составляет ƒэкв(KMnO4)=1.
Таким образом, в случае окислительно-восстановительных реакций эквивалентом является реальная или условная частица вещества, которая в данной ОВР эквивалентна 1 (одному) электрону. Эквивалент и фактор эквивалентности в ОВР не определяются стехиометрией реакции в отличие от реакций ионного обмена.
Молярная масса эквивалента
Молярная масса эквивалента (или эквивалентная масса) – это масса одного моля эквивалента вещества.
Обозначается следующим образом:
И выражается, как и молярная масса, в г/моль, поскольку фактор эквивалентности является безразмерной величиной.
Вернемся к примерам, рассмотренным выше.
В данной реакции ƒэкв (H3PO4)=1. Это в том числе означает, что фосфорная кислота вступает в реакцию в количестве 1 моль. Тогда масса 1 моль эквивалента этого вещества соответствует (и равна) его молярной массе: 98 г/моль. Можно сделать вывод, что в данном случае:
В другой реакции гидроксида калия и фосфорной кислоты:
Фактор эквивалентности кислоты ƒэкв (H3PO4)=1/2. Тогда:
И в третьем случае:
Фактор эквивалентности кислоты ƒэкв (H3PO4)=1/3. Тогда:
Как видим, в зависимости от стехиометрии реакции молярная масса эквивалента вещества будет принимать различные значения. Так, для фосфорной кислоты это 98 г/моль, 49г/моль и 32,66 г/моль. В этом заключается отличие молярной массы эквивалента от молярной массы вещества, которая всегда постоянна, не зависимо от типа реакции (обмена, ОВР) и ее стехиометрии.
Итак, молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности и молярной массы вещества:
Химический эквивалент и количественный анализ. Закон эквивалентов
В количественном анализе широко применяются еще два понятия, связанных с химическим эквивалентом.
Количество вещества эквивалента – количество вещества, в котором частицами являются эквиваленты.
Единицей измерения является моль. Вычисляется по формуле:
Молярная концентрация эквивалента (или нормальная концентрация, Сн) представляет собой количество вещества эквивалента, содержащееся в одном литре (или дм3) раствора (моль/л, или моль/дм3).
Иногда запись единиц измерения нормальной концентрации моль/л, или моль/дм3, заменяют более простой записью: н. Например, 0,2 моль/л записывают как 0,2 н.
Если в 1 л (1дм3) раствора содержится 1 моль эквивалентов вещества, то такой раствор называется нормальным. Если содержится 0,1 моль – децинормальным, 0,01 моль – сантинормальным, 0,001 моль – миллинормальным и т.д.
Пример 1. Какова нормальная концентрация раствора H2C2O4∙2H2O, полученного растворением 1,73334 г ее в мерной колбе вместимостью 250 мл?
Пример 2. Какую массу KMnO4 следует взять для приготовления 2 л раствора с С(1/5KMnO4) = 0,02 моль/л?
Используя нормальные концентрации, легко посчитать, какие объемы веществ должны быть смешаны, чтобы те прореагировали полностью, т.е. без остатка. Либо, зная объемы прореагировавших без остатка веществ, можно определить их концентрации.
Согласно закону эквивалентов (И.В. Рихтер), утверждающему, что вещества реагируют между собой в строго определенных (эквивалентных) количествах:
Пример 3. Определите нормальную концентрацию раствора гидроксида калия, если на полное взаимодействие 15,00 мл его раствора израсходовано 18,70 мл раствора соляной кислоты с нормальной концентрацией 0,078моль/л.
Химический эквивалент элемента и молярная масса эквивалента сложного вещества
Если речь не идет о конкретной химической реакции, то посчитать эквивалент и эквивалентную массу элемента или сложного вещества можно, воспользовавшись несколькими способами. Приведем наиболее простые из них.
Химический эквивалент элемента
Химический эквивалент элемента представляет количество элемента, способное полностью соединяться с одним атомом (ионом) водорода или замещать столько же их в химических реакциях.
Так, в молекуле хлороводорода HCl на атом Н приходится один атом Cl. В связи с этим:
У сероводорода H2S 2 атомам Н соответствует 1 атом S. Следовательно, 1 атому Н будет соответствовать 1/2 атома S. И тогда:
Аммиак NH3 характеризуется тем, что в его молекуле 3 атома водорода соединяются с 1 атомом азота. В пересчете на один атом водорода это будет 1/3 атома азота. Поэтому:
Как не трудно заметить из приведенных примеров,
фактор эквивалентности для элементов равен единице, деленной на валентность элемента:
Молярная масса эквивалента сложного вещества
Основными классами сложных веществ являются оксиды, основания, кислоты и соли.
Поскольку не будем останавливаться на факторе эквивалентности в данном случае, молярную массу эквивалента обозначим упрощенно: Мэ.
Для оксидов рассчитывается по формуле:
Например:
Для оснований:
Например:
Для кислот:
Например:
Для солей:
Например:
Подведем итог.
Химический эквивалент – это частица вещества, реальная или условная. Количественным выражением эквивалента является фактор эквивалентности. Для определения эквивалентов веществ в реакции обмена необходимо учитывать ее стехиометрию, а в окислительно-восстановительной реакции – число отданных или принятых веществом электронов.
Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.
Молярная концентрация фосфорной кислоты
В 500 миллилитрах раствора содержится 12 грамм фосфорной кислоты (H3PO4). Найти молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента фосфорной кислоты для реакции образования гидрофосфата натрия (Na2HPO4).
Решение задачи
Запишем уравнение реакции образования гидрофосфата натрия (Na2HPO4), происходит путём нейтрализации разбавленной фосфорной кислоты разбавленным раствором едкого натра (NaOH):
Напомню, что под молярной концентрацией понимают количество (число моль) данного вещества, содержащегося в единице объема раствора. Молярную концентрацию выражают в моль/л или используют сокращение «M».
Найдем молярную концентрацию фосфорной кислоты (H3PO4) в 500 мл раствора с массой 12 грамм. Для расчета будем использовать формулу нахождения молярной концентрации раствора:
где:
CM –
молярная концентрация раствора;
n –
химическое количество растворенного вещества;
M – молярная масса растворенного вещества;
m –
масса растворенного вещества;
V – объем раствора.
Учитывая, что молярная масса фосфорной кислоты (H3PO4) равна 98 г/моль (смотри таблицу Д.И. Менделеева), получаем, что молярная концентрация фосфорной кислоты (H3PO4) равна:
CM (H3PO4) = 12/ 98 ∙
0,5 = 0,2 (моль/л).
Напомню, что под молярной концентрацией эквивалента понимают количество грамм-эквивалентов данного вещества, содержащегося в 1 л раствора. Нормальную концентрацию выражают в моль-экв/л или используют сокращение «N».
Найдём молярную массу эквивалента фосфорной кислоты (H3PO4) по формуле:
Напомню то, что молярная масса эквивалента – это масса одного моль эквивалента вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества.
Фактор эквивалентности (fэкв)– число, показывающее какая доля частицы (атома, молекулы) этого вещества равноценна одному иону водорода (H+) в реакциях обмена или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Фактор эквивалентности и
эквивалентная масса вещества определяются той реакцией в которой данное вещество
принимает участие, так как у одного и того же вещества в различных реакциях
различны фактор эквивалентности и эквивалентная масса.
Учитывая, что молярная масса молярная масса фосфорной кислоты (H3PO4) равна 98 г/моль и в реакции нейтрализации принимает участие 2 иона водорода (2H+), получаем:
Найдём молярную массу эквивалента фосфорной кислоты (H3PO4):
CН (H3PO4) = 12/ 49 ∙
0,5 = 0,5 (моль-экв/л).
Ответ:
молярная концентрация фосфорной кислоты (H3PO4) равна 0,2 моль/л;
молярная масса эквивалента фосфорной кислоты (H3PO4) равна 0,5 моль-экв/л.
- Подробности
- Категория: Химия-Шиманович
Вычисление количества вещества эквивалента и молярной массы эквивалента фосфорной кислоты
Задание 8.
Вычислите количество вещества эквивалента и молярную массу эквивалента Н3РО4 в реакциях образования: а) гидрофосфата; б) дигидрофосфата; в) ортофосфата.
Решение:
Уравнения реакций имеют вид:
а) H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O;
б) H3PO4 + 2NaOH = NaHPO4 + 2H2O;
в) H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O.
Молярная масса эквивалента сложного вещества, как и молярная масса эквивалента элемента, может иметь различные значения и зависит от того, в какую реакцию обмена вступает это вещество. Молярная масса эквивалента кислоты (основания) равна молярной массе (М), делённой на число атомов водорода (гидроксильных групп), замещённых в данной реакции на металл (на число вступающих в реакцию гидроксильных групп). Следовательно, эквивалентная масса H3PO4 в реакции (а) М(H3PO4)/1 = 98/1 = 98 г/моль, в реакции (б) – М(H3PO4)/2 = 98/2 = 49 г/моль, а в реакции (в) – М(H3PO4)/3 = 98/3 = 32,67 г/моль.
Второй способ решения данной задачи
а) Так как H3PO4 взаимодействует с одной молекулярной массой эквивалента (молекулой) NaOH в реакции (а), то её молярная масса эквивалента равна М(H3PO4)/1 = 98/1 = 98 г/моль.
б) H3PO4 в данной реакции взаимодействует с двумя молярными массами эквивалента NaOH, ), то её молярная масса эквивалента равна М(H3PO4)/2 = 98/1 = 49 г/моль.
в) H3PO4 в данной реакции взаимодействует с тремя молярными массами эквивалента NaOH, ), то её молярная масса эквивалента равна М(H3PO4)/3 = 98/3 = 32,67 г/моль.
Вычислить эквивалент H3РO4 в реакциях с раствором КОН с образованием КH2РO4; К2HРO4; К3РO4.
Решение.
1) КОН + H3РO4 = КH2РO4 + H2O
Образуется 1 молекула H2O, т.е. в H3РO4 замещается 1 атом водорода, поэтому Э (H3РO4) = М (H3РO4)/ 1 = 98/1 = 98 г/моль
2) 2КОН + H3РO4 = К2HРO4 + 2 H2O
Образуется 2 молекулы H2O, т.е. в H3РO4 замещается 2 атома водорода, поэтому Э (H3РO4) = М (H3РO4)/ 2 = 98/2 = 49 г/моль
3) 3КОН + H3РO4 = К3РO4 + 3 H2O
Образуется 3 молекулы H2O, т.е. в H3РO4 замещается 3 атома водорода, поэтому Э (H3РO4) = М (H3РO4)/ 3 = 98/3 = 32,67 г/моль