Лабораторная работа «Определение молярной массы эквивалентов вещества в реакциях обмена».

Цель работы: Определение молярной массы эквивалентов кислоты методом кондуктометрического титрования щелочью.

Идентификация кислоты. Расчет ошибку (погрешности) определения молярной массы эквивалентов кислоты.

1.Теоретическая часть.

Химическим эквивалентом (Э(В)) (по рекомендациям ИЮПАК) называется условная или реальная частица, равная или в целое число раз меньшая соответствующей ей формульной единице:

где «В» – формульная единица вещества: реально существующая частица, такая как атом (Cu, Na, C), молекула (N₂, KOH, Al₂(SO₄)₃, CO₂), ионы (OH^-, SO₄^2-, Cu²⁺), радикалы (-NО₂, С₂Н₅-), условные молекулы кристаллических веществ и полимеров, любые другие частицы вещества.

- эквивалентное число, показывающее какое число эквивалентов вещества «В» условно содержится в данной формульной единице этого вещества.

= f_экв. - фактор эквивалентности.

Эквивалентное число Z всегда больше или равно 1 и является безразмерной величиной.

Расчет эквивалентного числа различных формульных единиц представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Расчет эквивалентного числа Z вещества.

частица	эквивалентное число Z	Пример
Элемент	Z(Э) = В(Э), где В(Э) – валентность элемента	Z(S)H2SO4 = 6 Z(C)CO2 = 4
Простое вещество	Z(в-ва) = n(Э)∙В(Э), где n(Э) – число атомов элемента В(Э) – валентность элемента	Z(O2) = 2∙2=4 Z(Cl2) = 2∙1=2
Оксид	Z(Э2Ох) = n(Э)∙В(Э), где n(Э) – число атомов элемента В(Э) – валентность элемента	Z(Н2О) = 2∙1=2 Z(SО2) = 1∙4=4 Z(Al2О3) = 2∙3=6
Кислота	Z(к-ты) = n(Н+), где n(Н+) – число отданных в ходе реакции ионов Н+ (основность кислоты)	Z(Н2SО4) = 1 – основность равна 1 Z(Н2SО4) = 2 – основность равна 2
Основание	Z(осн-я) = n(ОН-), где n(ОН-) – число отданных в ходе реакции гидроксид ионов ОН- (кислотность основания)	Z(Са(ОН)2 = 1 – кислотность равна 1 Z(Са(ОН)2) =2 – кислотность равна 2
Соль	Z(соли) = n(Ме)∙В(Ме) = n(А)∙В(А), где n(Ме), В(Ме) – число атомов металла и его валентность n(А), В(А) – число кислотных остатков и их валентность	Z(Na2SО4) = 2∙1=1∙2=2 Z(Al2(CO3)3) = 2∙3=3∙2=6
Частица в ОВР	Z(частицы) = nе, где n е – число электронов, участвующих в процессе, на одну формульную единицу	SO42-+2H++ +2e→SO32-+H2O Z(SО42-)=2, Z(H+)=1 2Cl- - 2e→Cl2 Z(Cl-)=1, Z(Cl2)=2
ион	Z(иона) = n, где n – заряд иона	Z(SО42-) = 2

---

Величины эквивалентного числа, а, следовательно, и эквивалента зависят от химической реакции, в которой участвует данное вещество.

Например, в реакции нейтрализации фосфорной кислоты, эквивалентное число (эквивалент) кислоты меняется в зависимости от полноты протекания реакции.

Для реакции H₃PO₄ + 3KOH → K₃PO₄ + 3H₂O эквивалентное число Z(H₃PO₄) = n(Н⁺) = 3, т.к. в реакции участвуют три иона Н⁺ фосфорной кислоты, и эквивалентом H₃PO₄ будет являться условная частица 1/3H₃PO₄ (Э(H₃PO₄) = 1/3H₃PO₄).

В реакции H₃PO₄ + KOH → KН₂PO₄ + H₂O замещается только один ион водорода Н⁺ и поэтому Z(H₃PO₄) = n(Н⁺) = 1, а эквивалентом кислоты является частица H₃PO₄ (Э(H₃PO₄)= 1H₃PO₄).

В обменных реакциях эквивалентное число (эквивалент) определяется стехиометрией реакции. Находят наименьшее общее кратное всех стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции и делят стехиометрические коэффициенты на найденное наименьшее общее кратное.

Например, в реакции Cr₂(SO₄)₃ + 6KOH → 2Cr(OH)₃ + 3K₂SO₄

наименьшее общее кратное всех стехиометрических коэффициентов равно 6:

1/6Cr₂(SO₄)₃ + KOH → 1/3Cr(OH)₆ + 1/2K₂SO₄

Следовательно, эквивалентное число Z(Cr₂(SO₄)₃) = 6, Z(КОН) = 1, Z(Cr(OH)₃) = 3, а Z(K₂SO₄) = 2. Эквивалентом Cr₂(SO₄)₃ будет являться условная частица 1/6Cr₂(SO₄)₃, Э(КОН)=1КОН, Э(Cr(OH)₃) = 1/3Cr(OH)₃, Э(K₂SO₄) = 1/2K₂SO₄.

Эквивалент, как частица, может быть охарактеризован молярной массой М_э(В), молярным объемом V_э(В) и определенным количеством вещества n_э(В).

Количество вещества эквивалента (n_э) – величина, пропорциональная отношению числа эквивалентов вещества (N_э) к числу Авогадро (N_А), равному 6,02∙10²³ формульных единиц (ф.е.):

n_э = N_э/ N_А , [моль]

(по аналогии с количеством вещества: n = N/ N_А, [моль])

Так как в одной формульной единице (атоме, молекуле, радикале и т.д.) содержится Z(В) эквивалентов вещества, то число химических эквивалентов вещества N_э равно произведению Z(В) на N_ф.е.,

---

N_э = Z(В) ∙ N_ф.е

и, соответственно,

n_э = Z(В) ∙ n, [моль]

Таким образом, моль эквивалентов вещества – это количество вещества, содержащее 6,02∙10²³ эквивалентов.

Молярной массой эквивалентов вещества (М_э(В)) называется масса одного моль эквивалентов вещества В, равная отношению массы вещества (m(В)) к количеству вещества эквивалентов (n_э(В)) :

М_э(В) = m(В)/ n_э(В); [г/моль] или [кг/моль]

Взаимосвязь между молярной массой вещества М(В) и молярной массой его эквивалентов М_э(В) выражается соотношением:

М_э(В) = М(В) / Z(В),

т.е. молярная масса эквивалентов вещества всегда в Z раз меньше молярной массы этого вещества.

Молярную массу эквивалентов сложного вещества можно представить, как сумму молярных масс эквивалентов образующих его составных частей. Например,

М_э(оксида) = М_э(элемента) + М_э(кислорода);

М_э(кислоты) = М_э(Н⁺) + М_э(кислотного остатка);

Например, молярная масса эквивалентов основной соли сульфата кальция равна: М_э((CaOH)₂SO₄) = М_э((CaOH)⁺) + М_э(SO₄^2-)=

=

Молярным объемом эквивалентов газообразного вещества V_э(В) называется объем одного моль эквивалентов газообразного вещества, равный отношению объема данного газообразного вещества (V_газ) к количеству вещества эквивалентов газообразного вещества:

V_э(газа) = V_газ / n_э , [л/моль]

Учитывая, что для газов, принимаемых условно за идеальные, n = V / V_М,

где V_М = 22,414 л/моль – объем одного моль любого газа при нормальных условиях (н.у.: Т=273,15К, р=1,01325∙10⁵ Па или 1 атм, или 760 мм рт.ст.), тогда молярный объем эквивалентов любого газа равен:

V_э(газа) = V_М/ Z(В) = 22,414 / Z(В) , л/моль.

Закон эквивалентов (И.Рихтер 1792г.): количества вещества эквивалентов всех участвующих в реакции веществ равны .

Например, для реакции аА + вВ → сС + dD будут справедливы равенства:

---

n_э(А) = n_э(В) = n_э(С) = n_э(D)

или

Если вещества газообразные, то закон эквивалентов принимает вид:

Закон эквивалентов для реагирующих веществ, находящихся в растворе выражается, как равенство:

с_э(А)∙V_р-ра(А) = с_э(В)∙V_р-ра(В),

где с_э(i) = моль/л - молярная концентрация эквивалента i вещества, равная отношению количества вещества эквивалента n_э(i) к объему раствора вещества V_p-pa(i).

Одним из методов определения концентрации раствора является метод кондуктометрического титрования. Кондуктометрическое титрование – метод определения точки эквивалентности по изменению величины электропроводности раствора. Суть метода заключается в том, что в точный объем анализируемого раствора добавляют титрант и определяют изменение электропроводности раствора. Электропроводность – способность вещества проводить электрический ток. Количественной мерой этой способности является удельная электропроводность κ (каппа):

κ =1/RS [1/(Ом∙м) = См/м (сименс/м)],

где R – электрическое сопротивление проводника (Ом), длина которого l (м) и площадь поперечного сечения S (м²). В химии чаще используют мСм·см^-1 (миллисименс/см).

В данной работе используется титрование сильной кислоты сильным основанием. В начале титрования электропроводность раствора высокая, т.к. сильная кислота практически полностью диссоциирована на ионы. Известно, что самой большой подвижностью обладают ионы Н⁺ и ОН^- . В процессе титрования сильной кислоты щелочью происходит замещение ионов водорода менее подвижными ионами натрия, при этом количество ионов Н⁺ падает за счет связывания с ионами гидроксила в мало диссоциированную воду Н⁺ + ОН^- = Н₂О. Следовательно, в процессе нейтрализации электропроводность раствора постепенно убывает, пока все ионы Н⁺ не будут замещены ионами Na⁺ , т.е. пока кислота не будет полностью нейтрализована. В этот момент электропроводность достигает минимального значения и данная точка называется точкой эквивалентности. При дальнейшем добавлении щелочи ионы ОН- перестают связываться, общее число ионов увеличивается и электропроводность начинает расти. Подъем линии электропроводности после точки эквивалентности менее крутой, т.к. подвижность ионов ОН^- меньше, чем ионов Н⁺ (см.рис.1).

---

Рис.1. Изменение электропроводности раствора при кондуктометрическом титровании сильной кислоты сильным основанием.

В точке эквивалентности выполняется закон эквивалентов

n_э(к) = n_э(щ) или с_э(к)∙V_р-ра(к) = с_э(щ)∙V_р-ра(щ). (1)

Зная объем раствора исследуемой кислоты V(к) , объем раствора щелочи, пошедший на титрование V(щ) и ее исходную концентрацию, можно вычислить молярную концентрацию эквивалентов кислоты с_э(к):

. (2)

Если к тому же известна масса растворенной кислоты (например, титр), можно найти молярную массу эквивалента кислоты.

Титр (Т) – один из способов выражения концентрации раствора, показывающий массу (г) растворенного вещества в 1 мл раствора:

Т = m/V , г/мл.

Молярная масса эквивалентов кислоты может быть вычислена из соотношений:

(3)

Экспериментальная часть

Оборудование.

Компьютер, датчик электропроводности, датчик объема жидкого реагента, магнитная мешалка, мерный цилиндр на 100 мл, шприц на 10 мл, химический штатив, штатив для электродов, химический стакан на 50 мл.

Реактивы.

Растворы кислот (HCl, H₂SO₄, HNO₃) с указанным значением титра, Т г/мл, титрант - раствор щелочи КОН или NaOH с_э = 0.1 моль/л, спиртовой раствор фенолфталеина.

Ход работы.

1.Возьмите у преподавателя две-три склянки с растворами кислот известных титров. Запишите в ст.1 табл.1 титры выданных кислот.

---

Смотрите также файлы

• LabsDelphi1.pdf

• LabsDelphi1.doc

• laboratornye_raboty_ch2.pdf

• Labnik_VMSS.doc

• laba_K7m`.pdf