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.
Примеры расчёта
Определением молярности раствора занимается химия. В процессах участвуют различные частицы, количество которых даже в малых объёмах велико. Значение молярной концентрации определяется не только количественным, но и качественным составом. Самые простые задачи связаны с нахождением молярной массы. Например, для соединения CH4 она наводится следующим образом:
Мr (CH4) = Ar + 4Ar (H) = 12 + 4 =16
Получается, что масса метана содержит 16 г/моль или 6,02Ч * 1023 молекул. Буква «Ч» используется для обозначения части.
Теперь можно найти массу в объёмном количестве. Например, нужно определить массу метана смешанном в количестве двух моль. Так как для метана его масса составляет 16 г/моль, то ответом будет:
м (метан) = 2 * 16 = 32 г
Много задач встречается на нахождение массовой доли в растворе. Например, в 200 грамм соли добавили 80 грамм воды. Чтобы определить часть соли в полученной смеси необходимо найти первоначальную её долю в растворе: M1 = w * m = 0,14 * 200 = 28 гамм. Затем вычислить массу нового раствора: М2 = 200 + 80 = 280 грамм. И воспользовавшись формулой получить ответ: W = M1 / M2 = 28 / 280 = 0,100.
Немного сложнее задачи на расчёт грамм-эквивалента. Пусть нужно найти нормальность серной кислоты, смешанной с раствором щёлочи. При смешении образуется соединение: NaSO4. Так как при реакции серная кислота нейтрализует гидросульфат натрия только частично то можно записать: Н2SO4 + NaOH = NaHSO4 + Н2О. Серная кислота представляет основу равную единице, поэтому и фактор эквивалентности также будет составлять единицу.
Экв (H2SO4) =1 * ф = 1/1 = 1
Отсюда следует, что значение молярности эквивалента кислоты:
Мэкв (H2SO4) = M * Ф = M/1 = 98/1 = 98 г/экв
Нужно найти массовую часть и молярность эквивалента смеси, полученной при смешивании 400 мл раствора серной кислоты (p =1, 18 г/мл) и 400 мл восьмипроцентного раствора серной кислоты (p = 1,05 г/мл).
Вначале следует вычислить массу первого раствора и содержание в нём серной кислоты:
m (р-ра) = p (р-ра) * V (р-ра) = 1,18 * 400 = 720 г
m (H2SO4) = V (H2SO4) * м (H2SO4)= С (H2SO4) * V (р-ра) * М (H2SO4) = 720 * 0,2 — 98 = 46 г
Затем определить массу второго раствора и содержание в нём количества серной кислоты:
m (р-ра) = р (р-ра) * V (р-ра) = 1,05 * 400 = 420 г
m = m (р-ра) * (H2SO4)= 420 * 0,08 = 24 г
Часть полученного раствора находится по формуле:
ɷ (H2SO4) = m (H2SO4) / m (р-ра) = (46 + 24) / (720+420) = 0,146
Ответ удобнее записать в процентном соотношении — 14,6%.
Вычисление концентрации
Чтобы получить раствор, необходимо между собой смешать растворитель и растворимое. Для того чтобы вычислить концентрацию, нужно знать или найти общий объём смеси, который будет равен сумме элементов, используемых при создании раствора. Измеряться концентрация может в различных величинах. Основные из них:
- грамм на литр (г/л) — отношение массы к объёму;
- молярность (моль) — содержание растворенных элементов к объёму раствора;
- миллионная часть (г / единица раствора) — соотношение растворённых веществ к одному миллиону единиц смеси;
- проценты (%) — ответ выражается в количестве растворённой доли в граммах к ста частям раствора.
Каждый элемент характеризуется молярной массой и определяется отношением массы к числу моль. Равна она атомной массе, которую можно взять из таблицы Менделеева. Для нахождения молярной величины нужно сложить все атомные числа элементов, смешанных в растворе.
Найдя молекулярное значение можно перейти к вычислению количества молей. Делается это с помощью формулы для молярной концентрации: масса растворённого вещества умножается на обратную молярную часть. Результат должен получиться в моль. На следующем этапе находится молярность. Полученное число молей делится на объём, измеряемого в литрах раствора. Обычно объёмом растворённой части пренебрегают.
По аналогии вычисляется концентрация и в процентном составе. Для этого нужно найти массу частей, составляющих раствор. На первом этапе все единицы измерения переводятся в граммы. Находится плотность, затем она умножается на объём и получается масса вещества в граммах. Вычисление концентрации в процентном составе находится как масса растворённого вещества, делённая на сумму массы растворяемого и растворителя, а после результат умножается на сто.
