Химическим эквивалентом называется условная или реальная частица вещества, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в ионообменных реакциях или электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Химический эквивалент
ОСНОВЫ ТИТРИМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА АНАЛИЗА
Количественный анализ
В роли химического эквивалента может выступать молекула (формульная единица), атом или ион вещества. В этом случае эквивалент является реально существующей частицей. Но часто он представляет собой условную частицу, которая в целое число раз меньше молекулы (формульной единицы), атома или иона вещества.
Одному и тому же веществу Х может соответствовать несколько химических эквивалентов. Определить, что именно представляет собой химический эквивалент Х (реальную частицу или какую-то часть её), можно только, исходя из конкретной химической реакции, в которой это вещество участвует.
Число, показывающее, какую часть реальной частицы вещества Х составляет его химический эквивалент, называется фактором эквивалентности и обозначаетсяfэкв.(Х).
Фактор эквивалентности вещества является безразмерной величиной и определяется по формуле
где z* – число эквивалентности вещества.
В реакциях ионного обмена для кислоты число эквивалентности равно числу ионов Н+, замещённых в её молекуле на ионы металла или NH4+.
У одноосновных кислот (HCl, HNO3, и т.д.) число эквивалентности всегда равно единице. Для многоосновных кислот (H3PO4, H2S и т.д.) оно может принимать несколько значений, в зависимости от количества замещенных ионов водорода в их молекулах.
Для основания в реакциях ионного обмена число эквивалентности равно количеству ионов ОН-, замещённых в его формульной единице на кислотные остатки.
У однокислотных оснований (КОН, NaOH и т.д.) число эквивалентности всегда равно единице. Многокислотные основания (Al(OH)3, Ba(OH)2 и т.д.) могут иметь несколько значений числа эквивалентности.
Для соли число эквивалентности равно произведению числа ионов металла (или NH4+), содержащихся в её формульной единице, на заряд одного такого иона.
В общем случае эквивалент любого вещества Х записывается следующим образом 1/z*(X).
Поясним вышесказанное на примере следующих реакций:
1) H3PO4 + 3KOH = K3PO4 + 3H2O
fэкв.(H3PO4) = fэкв.(KOH) = 1
Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:
1/3 (H3PO4) составляет 1/3 часть молекулы;
1(KOH) совпадает с формульной единицей вещества.
В реакции на одну молекулу Н3РО4 расходуется три формульных единицы КОН, но на 1·3 = 3 химических эквивалента Н3РО4 расходуется такое же количество химических эквивалентов (3·1 = 3) КОН.
2) H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O
fэкв.(H3PO4) = fэкв.(Ca(OH)2) =
Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:
(H3PO4) составляет 1/2 часть молекулы;
(Ca(OH)2) составляет 1/2 часть формульной единицы.
В реакции на одну молекулу Н3РО4 расходуется одна формульная единица Ca(OH)2, но на 1·2 =2 химических эквивалента Н3РО4 расходуется такое же количество химических эквивалентов (1·2 = 2) Ca(OH)2.
3) Al(OH)3 + 2HCl = AlOHCl2 + 2H2O
fэкв.(Al(OH)3) = fэкв.(HCl) = 1
Химическими эквивалентами исходных веществ будут соответственно:
(Al(OH)3) составляет 1/2 часть формульной единицы;
1(HCl) совпадает с молекулой вещества.
В реакции на одну формульную единицу Al(OH)3 расходуется две молекулы HCl, но на 1·2=2 химических эквивалента Al(OH)3 расходуется такое же количество химических эквивалентов (1· 2=2)HCl.
4) Al2(SO4)3 + 3BaCl2 = 3BaSO4↓ + 2AlCl3
fэкв.(Al2(SO4)3) =fэкв.(BaCl2) =
Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:
(Al2(SO4)3) составляет 1/6 часть формульной единицы;
(BaCl2) составляет 1/2 часть формульной единицы.
В реакции на одну формульную единицу Al2(SO4)3 расходуется три формульных единицы BaCl2, но на 1·6=6 химических эквивалентов Al2(SO4)3 расходуется такое же количество химических эквивалентов (3·2 = 6) BaCl2.
Для вещества Х, участвующего в окислительно-восстановительной реакции (ОВР), z* является величиной, равной числу электронов, которые одна его молекула (формульная единица) присоединяет (если Х является окислителем) или отдаёт (если Х является восстановителем) в ходе реакции.
Например, в реакциях:
1) 3H2S-2 + 2 HN+5 O3 = 3S0 + 2N+2 O + 4 H2O
восстановитель окислитель
S-2 - 2ē = S0 2 3
N+5 + 3ē = N+2 3 2
fэкв.(H2S)= ; fэкв.(HNO3)=.
Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:
(H2S) составляет 1/2 часть молекулы,
(HNO3) составляет 1/3 часть молекулы.
В реакции на три молекулы H2S расходуется две молекулы HNO3, но на 3·2=6 химических эквивалентов H2S расходуется такое же количество химических эквивалентов (2·3=6) HNO3.
2) 5H2C2+3O4+2KMn+7O4+3Н2SО4=10C+4O2+K2SO4+ 2Mn+2SO4 +8H2O
восстановитель окислитель
2С+3 - 2ē = 2С+4 2 5
Mn+7 + 5ē = Mn+2 5 2
fэкв.(H2C2O4)= ; fэкв.(KMnO4) = .
Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:
(H2C2O4) составляет 1/2 часть молекулы;
(KMnO4) составляет 1/5 часть формульной единицы.
В реакции на пять молекул H2C2O4 расходуется две формульных единицы KMnO4, но на 5·2=10 химических эквивалентов H2C2O4 расходуется такое же количество химических эквивалентов (2·5=10) KMnO4.
3) 2С0 + 2HN+5 O3 = 2C+4O2 + N2+1O + H2O
восстановитель окислитель
С0 - 4ē = С+4 4 2
2N+5 + 8ē = 2N+1 8 1
fэкв.(С)= ; fэкв.(HNO3)= .
Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:
(С) составляет ¼ часть атома;
(HNO3) составляет 1/4 часть молекулы.
В реакции на два атома С расходуется две молекулы HNO3 и на 2·1=2 химических эквивалента С расходуется такое же количество химических эквивалентов (2·1=2) HNO3.
Количества прореагировавших молекул (формульных единиц) исходных веществ в большинстве химических реакций не относятся друг к другу как 1:1. Исключение составляют те случаи, когда в уравнении реакции перед формулами реагентов стоят одинаковые стехиометрические коэффициенты. Но в любой химической реакции количества расходованных химических эквивалентов исходных веществ равны между собой.
Молярной массой эквивалентов вещества Х называется масса одного моля (или 6,02·1023) его эквивалентов. Она обозначается М [1/z* (Х)] и измеряется в г/моль или в кг/моль. Молярную массу эквивалентов вещества можно рассчитать по формуле:
М [1/z* (Х)]=
где М (Х) – молярная масса вещества Х.
Если фактор эквивалентности равен единице, то молярные массы вещества и его химического эквивалента численно совпадут.