Задачи для решения на занятии
Тема: Стехиометрические закоы и расчеты в химии
После изучения данной темы студент должен знать
– понятия: «атом», «химический элемент», «молекула», «вещество», «формульная единица», «эквивалент», «относительная атомная масса». Химическое количество вещества. Моль. Молярная масса. Молярная масса эквивалента вещества. Постоянная Авогадро.
– основные стехиометрические законы: закон сохранения массы веществ в химических реакциях; закон постоянства состава вещества; закон эквивалентов. Современное содержание стехиометрических законов, их применимость к веществам с различной структурой.
СТУДЕНТ ДОЛЖЕН УМЕТЬ
– составлять уравнения реакции;
– проводить расчеты с использованием физических формул определения химического количества вещества,
– выводить формулы химических соединений по массовой доле атомов химических элементов в веществе, по продуктам сгорания, по уравнению реакции, с использованием закона эквивалентов.
– определять число эквивалентности, фактор эквивалентности, молярную массу эквивалента, молярный объем эквивалента.
Вопросы для обсуждения
1. Чем отличаются вещества молекулярного строения от веществ немолекулярного строения? Какие физические свойства присущи тем и другим веществам? Какие частицы являются их структурными единицами?
2. Чем определяется химическое количество вещества? Сформулируйте определение понятия моль. Каков физический смысл постоянной Авогадро и чему равно ее значение?
3. Что представляет собой молярная масса вещества? Как она связана с массой вещества и его химическим количеством? Какие значения принимает молярная масса и в каких единицах она выражается?
4. Сформулируйте закон сохранения массы вещества. Как можно интерпретировать этот закон с точки зрения атомно-молекулярного учения?
5. Сформулируйте закон постоянства состава вещества. К каким соединениям он применим и почему? Какие вещества относятся к веществам постоянного, а какие - к веществам переменного состава? Приведите примеры.
6. Чем отличаются эмпирические (простейшие) формулы веществ от молекулярных (истинных) формул?
7. Сформулируйте закон эквивалентов. Дайте определения понятиям эквивалент, число эквивалентности, фактор эквивалентности, молярная масса эквивалента, молярный объем эквивалента.
8. Какие частицы называются реальными, а какие - условными? Приведите примеры.
9. Почему эквивалентами одного и того же вещества могут быть разные частицы? Поясните на конкретных примерах.
10. Почему молярная масса эквивалента одного и того же вещества может иметь разные значения?
11. Что характеризует средняя молярная масса смеси газов? Как она рассчитывается? Чему равна средняя молярная масса воздуха?
Химический эквивалент
Эквивалент –это реальная или условная частица вещества X, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному водороду или в данной окислительно-восстановительной реакции одному электрону. Например, в реакции
2НС1 + Са(ОН)2 =СаС12 + 2Н20
двум атомам водорода в НС1 соответствует одна частица Са(ОН)2. Следовательно, одному атому водорода эквивалентна условная частица, равная 1/2 Са(ОН)2 .Это и будет эквивалентом гидроксида кальция. Число 1/2носит название фактора эквивалентности, которой обозначается символом f экв.
Фактор эквивалентности f экв. - это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции. Фактор эквивалентности может равняться единице или быть меньше её f экв£ 1.
Fэкв.(X) =l/Z,
Z – абсолютное значение степени окисления элемента или число электронов, перешедших от восстановителя к окислителю.
Для кислотыфактор эквивалентности fэкв равен обратной величине её основности (число ионов Н+в молекуле кислоты, которое замещается в реакции на металл):
f экв(кислоты) = 1 /N(Н+) 1.1
Для основанияфактор эквивалентности f экв равен обратной величине его кислотности (число ионов ОН– в молекуле основания, которые в реакции замещаются на кислотные остатки):
f экв(основания) = l/N(ОН– ) 1.2.
Фактор эквивалентности одного и того же вещества в разных реакциях может быть различным. Это видно из следующего примера.
Н3Р04 + ЗКОН = К3Р04 + ЗН20
В данной реакции нейтрализации фосфорной кислоты, три иона Н+ замещаются на К+, т.е.(Н+) = 3. Следовательно, согласно формуле (1.1) фактор эквивалентности фосфорной кислоты будет равен: f3KB(H3P04)=l/N(H+) = l/3
Если же реакция протекает по уравнению
Н3Р04 + 2KOH = К2НР04 + 2Н20
To f3KB(H3P04)=l/N(H+) = l/2
Для эквивалентов как условных частиц можно рассчитать молярную массу и количество вещества.
Молярная масса эквивалента веществаX (г/моль) - масса 1 моль эквивалента
этого вещества- это есть произведение фактора эквивалентности на молярную массу этого вещества:
Mэкв.(X) = fэкв(X)×M(X) = l/Z(X) ×M(X) 1.3
Молярную массу эквивалента можно называть также эквивалентной массой.
Количество вещества (моль) эквивалента - отношение массы вещества к молярной массе его эквивалента:
n(fэкв.X) = m(X) / Mэкв.(X) 1.4
Количественные соотношения между эквивалентами веществ, участвующих в химической реакции, задаются законом эквивалентов.Для реакции
A + B = C + D
согласно этому закону
n экв (А) = n экв (В) = n экв (С) = n экв (D)
т.е. вещества взаимодействуют и образуются в количествах, которые равны количествам веществ эквивалентов.
Таким образом, для взаимодействующих веществ А и В можно записать:
n экв(А) = n экв(В). Используя формулу(1.4), получаем
1.5.
Соотношение (1.5) является следствием закона эквивалентов, т.е. массы реагирующих веществ относятся между собой как их молярные массы эквивалентов.
Эквивалентным объёмомназывается объём, занимаемый при данных условиях 1 эквивалентом вещества. Значение эквивалентного объёма вещества, находящегося в газообразном состоянии, можно найти, зная, что в мольном объёме любого газа, состоящего из одноатомных молекул, содержится 1 моль атомов, состоящего из двухатомных молекул - 2 моля атомов и т.д. Так, в 22,4л Н2 содержатся при нормальных условиях 2 моля атомов водорода. Поскольку эквивалент водорода равен 1 моль, то в 22,4л Н2 содержатся 2 эквивалента водорода; значит, эквивалентный объём водорода равен 22,4/2=11,2л/моль.
Решение типовых задач – [5].
Задачи для решения на занятии
1.На восстановление оксида некоторого металла массой 3,6 г затрачен водород, объем которого при температуре 25 °С и давлении 98,55 кПа равен 1982 мл. Вычислить значение молярной массы эквивалента металла и определить металл.
2.Определить эквивалент, рассчитать значения молярной массы и, где необходимо молярного объема эквивалента (н. у.) первого исходного вещества в каждой из реакций:
3.2H2S + (CuOH)2S04 = 2CuS + H2S04 + 2Н20;
2H2S + 02 = 2Н20 + 2S;
A12(S04)3 + 12КОН = 2К3[А1(ОН)6] + 3K2S04;
4.Для осаждения всего хлора, содержавшегося в хлориде металла массой 0,666 г, израсходован нитрат серебра массой 1,088 г. Вычислить значение молярной массы эквивалента металла и определить данный металл (Барий).
Эксперимент: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТА КАРБОНАТА НАТРИЯ
Приборы и реактивы. Колба вместимостью 50 мл с газоотводной трубкой, комбинированной из стеклянных и каучуковых трубок. Мерный цилиндр вместимостью 100 мл. Кристаллизатор. Стеклянная пластинка. Карбонат натрии б/в. Растворы: хлорида натрия (насыщенный): хлороводородной кислоты (2 н.).
Выполнение работы. Провести определение эквивалента карбоната натрия по известному эквиваленту диоксида углерода. Наполнить кристаллизатор 1 (рис. I) на половину его объема насыщенным раствором поваренной соли, в котором растворимость диоксида углерода меньше, чем в воде. Тем же раствором наполнить вровень с краями мерным цилиндр 2 вместимостью 100 мл и закрыть его стеклянной пластинкой, надвигая последнюю скользящим движением.
Перевернуть цилиндр вверх дном и опустить в кристаллизатор. Удалить под раствором стеклянную пластинку и закрепили цилиндр в ланке штатива гак, чтобы края цилиндра были ниже уровня раствора в кристаллизаторе, следя за тем, чтобы в цилиндр не попал воздух.
В колбочку вместимостью 50 мл налить 8–10 мл 2 н. раствора хлороводородной кислоты, вытереть гордо колбы фильтровальной бумагой и закрепить ее в штативе в горизонтальном положении: Взвесить на аналитических весах с точностью до 0,001 г часовое стекло с лежащим на нем квадратом (4 см х 4 см) папиросной бумаги.
Рис. 1. Прибор для определения эквивалента карбоната натрия
1– кристаллизатор, 2– мерный цилиндр, 3– колба, 4– газоотводная трубка (комбинированная из стеклянных и каучуковых трубок)
Поместить па бумагу 0,3–0,4 г карбоната натрия и снова взвесить с той же точностью. Навеску соли вместе с бумагой поместить осторожно в горло колбы таким образом, чтобы кристаллы не могли преждевременно упасть в кислоту, плотно закрыть колбу пробкой с газоотводной трубкой и подвести открытый изогнутый конец трубки под цилиндр. Вынуть колбу из штатива и медленно, чтобы не происходило очень бурного выделения диоксида углерода, пересыпать карбонат натрия небольшими порциями в кислоту аккуратными наклонами колбы. В конце опыта стряхнуть бумажку с остатками кристаллов в колбуПо окончании выделения газа вновь закрепить колбу в штативе. Измерить в цилиндре объем выделившегося диоксида углерода и с помощью миллиметровой линейки измерить расстояние l от уровня воды в кристаллизаторе до уровня воды в цилиндре.
Записать комнатную температуру и атмосферное давление.
Запись данных опыта и расчеты. Зарисовать схему прибора.
Записать данные опыта:
Масса часового стекла с бумагой, т1` г.
Масса стекла с бумагой и солью, т2, г.
Масса карбоната натрия, m3 = т1 – m2.
Объем выделившегося диоксида углерода, V, мл.
Расстояние от уровня воды в кристаллизаторе до уровня воды в цилиндре, l мм. Температура опыта, t°С.
Атмосферное давление, р.
По уравнению Менделеева Клапейрона
вычислить массу т диоксида углерода. Для определения давления Р(СО2) , следует из атмосферного давления Рвычесть давление столба жидкости р(р-ра). Последнее вычислить но формуле
Плотность насыщенного раствора хлорида натрия Рр-ра = 1,20 г/см3 ,
плотность ртути (Hg) =13, 60 г/см3.
Парциальным давлением водяного пара ввиду его малого значения в насыщенном растворе поваренной соли в данном опыте можно пренебречь.
Таким образом:
Рсо2 = – р-ра
Зная, что эквивалент кислотного оксида СО2 в реакции нейтрализации, протекающей с образованием Na2CO3, равен половине массы его моля, и применяя закон эквивалентов
Э (Na2CO3) : Э (СО2) = m3 : m СО2
вычислить эквивалент Na2СОз. Найти абсолютную и относительную погрешности определения.