Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА 2. CТЕХИОМЕТРИЯ
Стехиометрия — раздел химии, занимающийся изучением количественного состава, количественного соотношения химических элементов в веществах и веществ в химических реакциях.
Стехиометрические исследования позволяют установить химическую формулу вещества и составить химическое уравнение реакции. Уравнение химической реакции, как правило, не показывает ее механизма, т.е. реальной последовательности превращений атомов и молекул в химическом процессе, а только отражает закон сохранения массы (точнее, числа атомов элементов).
Основой для стехиометрических расчетов по химическим формулам и уравнениям являются атомная и молекулярная массы. Относительной атомной массой элемента (атомной массой), Аr, называют отношение средней массы атома при его природном изотопном составе к 1/12 массы атома изотопа углерода . Аналогично относительной молекулярной массой вещества (молекулярной массой), Мr, называют отношение средней массы вещества определенного формульного состава, включающего атомы отдельных элементов в их природном изотопном составе, к 1/12 массы атома изотопа углерода . Аr и Мr – безразмерные величины, которые определяется в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома изотопа углерода 12С. В системе СИ ее значение составляет (1,6605655±0,0000086)∙10–27 кг.
Наряду с массой в химических расчетах часто используется количество вещества , n. Количество вещества – физическая величина, введенная для количественной оценки структурных элементов вещества. Структурными элементами могут быть атомы, молекулы, ионы, радикалы, электроны и другие частицы или группы частиц. Единицей количества вещества является моль. Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в изотопе углерода-12 (12С) массой 0,012 кг (точно). Один моль любого вещества содержит число Авогадро (NA = 6,0221023) структурных единиц вещества.
Молярная масса, М, – масса одного моля вещества. Рассчитывается через массу (m) и количество вещества (n) по формуле: М = m/n. Единицей молярной массы в СИ является кг/моль, но в химии обычно используют г/моль. Молярная масса, М, вещества (в г/моль) численно равна его относительной молекулярной (атомной) массе, Мr (Аr).
Для расчетов количеств участников реакции удобно использовать такое понятие как эквивалент вещества. В этом случае в основе расчетов лежит закон эквивалентов:
Вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам: nэкв(А) = nэкв(В).
Эквивалент, Э(X), – это реальная или условная частица вещества, (X), которая может присоединять, замещать, высвобождать один ион водорода в кислотно-основных реакциях; или быть эквивалентна одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях, или – единице заряда в обменных реакциях между солями.
Эквивалент – безразмерная величина, состав которой выражается с помощью химических формул и символов. При определении эквивалента вещества необходимо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество.
Фактор эквивалентности, fэкв(X), – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода, или одному электрону, или единице заряда. Фактор эквивалентности рассчитывается следующим образом: fэкв(X) = 1/z, где z – эквивалентное число. Эквивалентное число определяется на основании стехиометрии реакции.
Рассмотрим несколько примеров определения формулы эквивалента вещества.
В окислительно-восстановительной реакции (2.1)
Zn + 2НCl = ZnCl2 + Н2 (2.1)
участвуют два электрона.
Zn + 2Н+ + 2е = Zn2+ + Н2.
Тогда на один электрон приходится
1/2Zn + НCl = 1/2ZnCl2 + 1/2Н2,
т.е. одному электрону соответствует 1/2 атома Zn, одна молекула НCl, 1/2 молекулы ZnCl2 и 1/2 молекулы Н2.
Отсюда Э(Zn) = 1/2 Zn, fэкв(Zn) = 1/2; Э(НCl) = НCl, fэкв(НCl) = 1; Э(ZnCl2) = 1/2ZnCl2, fэкв(Zn Cl2) = 1/2; Э(Н2) = 1/2Н2, fэкв(Н2) = 1/2.
Для кислотно-основной реакции (2.2)
Н2SО4 + 2NaОН = Na2SО4 + 2Н2О (2.2)
на один ион водорода приходится
1/2Н2SО4 + NaОН = 1/2Na2SО4 + Н2О.
Поэтому Э(Н2SО4) = 1/2Н2SО4, fэкв(Н2SО4) = 1/2; Э(NaOH) = NaOH, fэкв(NaOH) = 1, Э(Na2SО4) = 1/2Na2SО4, fэкв(Na2SО4) = 1/2; Э(Н2О) = Н2О, fэкв(Н2О) = 1.
В обменной реакции (2.3)
Al2(SO4)3 + 3BaCl2 = 2AlCl3 + 3BaSO4, (2.3)
происходящей с участием 6 единиц заряда, на одну единицу заряда приходится
1/6Al2(SO4)3 + 1/2BaCl2 = 1/3AlCl3 + 1/2BaSO4.
Следовательно, Э(Al2(SO4)3) = 1/6Al2(SO4)3, fэкв(Al2(SO4)3) = 1/6; Э(AlCl3) = 1/3AlCl3, fэкв(AlCl3) = 1/3; Э(BaCl2) = ½BaCl2, fэкв(BaCl2) = ½; Э(BaSO4) = ½BaSO4, fэкв(BaSO4) = ½.
Молярной массой эквивалента вещества, М(1/zX), называют массу одного моля эквивалента этого вещества, которая определяется как произведение молярной массы вещества, М(X), на фактор эквивалентности: М(1/zX) = (1/z)М(X). Единица измерения – г/моль.
Для рассмотренных реакций М(1/2Zn) = 1/2 М(Zn), М(NaOH) = М(NaOH), М(1/6 Al2(SO4)3) = 1/6 М(Al2(SO4)3).
Смысл введения понятия эквивалент состоит в том, что, по определению, в реакции участвует равное число эквивалентов кислоты и основания, окислителя и восстановителя и т.д. Отсюда следует, что эквиваленты всех веществ реагируют друг с другом в отношении 1:1 без остатка.
Молярный объем, Vn, – объем одного моля вещества (или отношение объема, занимаемого веществом к его количеству). Единицей молярного объема в СИ является м3/моль, но в химии обычно используют л/моль.
Согласно закону Авогадро одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. Следовательно, при определенных температуре и давлении 1 моль любого газа занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (273 К и 101,325 кПа) он составляет 22,4 л (Vn = 22,4 л/моль). Молярные объемы твердых и жидких веществ в отличие от газообразных специфичны для каждого вещества.
Вопросы и задачи по теме
1. Что такое атомная масса, молярная масса, порядковый номер и массовое
число элемента?
2. В каких единицах измеряется атомная масса, молярная масса?
3. Чему равна масса 1 атома углерода, 1 молекулы СО2?
4. Сопоставить числа молекул, содержащихся в 1 г NH3 и в 1 г N2.
5. Молярная масса глюкозы (С6Н12О6) равна 180 г/моль, NА - постоянная Авогадро. Какое одно из приведённых утверждений неверно: а) водный 0.5 М раствор глюкозы готовится путём растворения 90 г глюкозы в воде и доведением объёма раствора до 1000 мл; б) 1.00 ммоль глюкозы имеет массу 180 мг; в) 0.01 моль глюкозы содержит 0.0124 NА атомов; г) в 90 г глюкозы содержится 3 NА атомов углерода; д) в 100 мл 0.1 М раствора содержится 18 г глюкозы?
6. Определите металл, если его навеска 0.22 г вытесняет из кислоты 80 мл водорода при 22 °С и 101.9 кПа.
7. Что такое эквивалент вещества, молярная масса эквивалента вещества? Как они определяются?
8. Определить молярную массу эквивалента H3РО4 в реакциях:
КОН + H3РО4 = КH2РО4 + H2О,
2КОН + H3РО4 = K2HРО4 + 2H2О.
9. Чему равна масса 1 моль эквивалентов КМnО4 в окислительно-восстановительной реакции
2KМnО4 +10KBr + 8H2SО4 = 2МnSО4 + 5Br2 + 8Н2О + K2SО4?
10. К раствору, содержащему 1 г соляной кислоты, прибавили раствор, содержащий 1 г гидроксида натрия. Будет ли полученный раствор нейтральным, кислым, щелочным? Ответ подтвердите расчетом.
11. Магний массой 1 г и цинк массой 1 г растворили в пробирках с соляной кислотой. Одинаковые ли объемы водорода выделяются в первом и втором случае? Ответ подтвердите расчетами.
12. Определите металл, если его навеска 0,11 г вытесняет из кислоты 40 мл водорода при 22 °С и 101,9 кчсПа.
Работа № 2.1. Определение и молярной массы эквивалентов металла
Целью работы является определение молярной массы эквивалентов металла (цинка, алюминия или железа) по количеству выделившегося водорода.
Метод основан на измерении объема водорода, вытесняемого металлом из избытка кислоты.
Рассмотрим, как можно рассчитать молярную массу эквивалентов цинка при его взаимодействии с серной кислотой:
Fe+ Н2SO4= FeSO4 + Н2. (2.4)
По закону эквивалентов при взаимодействии с серной кислотой 1 моль эквивалентов железа выделяется 1 моль эквивалентов водорода. В данной окислительно-восстановительной реакции фактор эквивалентности водорода составляет 1/2 (). Тогда, молярный объем эквивалентов водорода будет равен
, (2.5)
где – молярный объем газа.
Как известно, при нормальных условиях он составляет 22,414 л/моль. Если условия проведения эксперимента отличаются от нормальных, то следует вычислить молярный объем газа, отвечающий этим условиям.
По уравнению Менделеева-Клапейрона (pV=RT):
, (2.6)
где p – давление, атм., R = 0,082 – универсальная газовая постоянная, л·атм/моль·К, Т – температура, K, – молярный объем газа при температуре Т.
Число молей эквивалентов водорода, выделившихся в результате химической реакции, можно вычислить по формуле:
, (2.7)
где – объем водорода, выделивший в реакции взаимодействия железа с серной кислотой.
Из закона эквивалентов следует: nэкв(Н2) = nэкв(Fe).
Число молей эквивалентов железа рассчитывается по формуле:
. (2.8)
Отсюда молярную массу эквивалентов железа можно выразить следующим образом:
. (2.9)
Очевидно, что молярная масса железа рассчитывается аналогичным образом.
Далее можно определить фактор эквивалентности для железа в исследуемой реакции, сопоставив молярную массу эквивалентов железа и молярную масса железа.
Экспериментальная часть
Необходимое оборудование: установка для определения молярной массы эквивалента металла (эксикатор, воронка, бюретка объемом 100 мл, тигель Гуча, металлический штатив с лапками, склянка Тищенко, водоструйный насос); барометр; термометр; технические электронные весы; часовое стекло; секундамер; пинцет.
Необходимые реактивы: металлический образец (Zn, Mg, Al или Fe); раствор серной кислоты (10 – 30%) или щелочи (1-5%)
Методика выполнения работы
Металлический образец зачищают наждачной бумагой, промывают дистиллированной водой и обезжиривают в ацетоне.
Затем сухой образец взвешивают на электронных технических весах с точностью 0,01 г. Массу образца (m1) записывают в табл. 2.1.
Рис. 2.1. Прибор для определения эквивалента металла по объему выделяющегося водорода: 1 – эксикатор с раствором кислоты; 2 – образец; 3 – тигель Гуча; 4 – воронка; 5–мерная бюретка.
Определение объема выделившегося водорода осуществляют с помощью установки, изображенной на рис. 2.1. Обезжиренный и взвешенный образец (2) помещают пинцетом на перевернутый тигель Гуча (3), поставленный в эксикатор (1). Образец накрывают широкой стеклянной воронкой (4), соединенной с бюреткой (5). Бюретку закрепляют на штативе. Носик бюретки соединяют с предохранительной склянкой Тищенко и далее с водоструйным насосом. Собрав установку, заливают в эксикатор кислоту и водоструйным насосом засасывают раствор кислоты до верха бюретки, после чего закрывают кран бюретки. Отмечают начальное значение уровня кислоты в бюретке по нижнему краю мениска с точностью 0,01 мл и занесите его в табл. 2.1.
Опыт считается законченным, когда объем выделившегося газа займет не менее 1/2 рабочего объема бюретки, что позволит с достаточной точностью определить объем водорода и массу растворившегося металла (m). Последняя будет определяться как разность между массой металлического образца до и после опыта.
По окончании опыта, определяют конечное положение уровня кислоты в бюретке с точностью 0,01 мл и записывают результат в табл. 2.1. Далее прибор разбирают, образец извлекают из кислоты, промывают в воде, очищают, высушивают спиртом и повторно взвешивают (m2). Затем по разности уровней кислоты до и после опыта рассчитывают общий объем выделившегося водорода, , а по разности (m1 – m2) – массу растворившегося металла (m). Данные записывают в таблицу. В ту же таблицу вносят значения температуры, при которой проводится опыт (температура помещения) и атмосферного давления (по показанию барометра).
Напишите уравнение реакции взаимодействия металла с серной кислотой. По данным эксперимента определите молярную массу эквивалентов металла и его молярную массу. Определите фактор эквивалентности. Сравните с табличным значением. Обсудите причины расхождений. Укажите те операции эксперимента, которые вносят наибольшие погрешности в значение молярной массы эквивалента металла, и предложите способы их снижения.
Желательно провести опыт еще 2 раза и рассчитать среднее значение молярной массы эквивалента металла. На основе результатов экспериментов, полученных другими студентами, рассчитайте среднее значение молярной массы эквивалентов металла.
Таблица 2.1
|
Данные опыта |
|
|
Масса металла до опыта, m1, г |
|
|
Масса металла после опыта, m2, г |
|
|
Масса растворившегося металла, m, г |
|
|
Начальный уровень кислоты в бюретке, мл |
|
|
Конечный уровень кислоты в бюретке, мл |
|
|
Объем выделившегося водорода, , мл (л) |
|
|
Температура опыта, Т, K |
|
|
Атмосферное давление, р, атм. |
|
|
Молярный объем газа при условиях эксперимента, , л/моль |
|
|
Число молей эквивалентов водорода и металла |
|
|
Молярная масса эквивалента металла, Мэкв(Ме), г/моль |
|
|
Молярная масса металла, М(Ме), г/моль |
|
|
Фактор эквивалентности металла, fэкв |
|
|
Справочное значение молярная массы металла, М(Ме), г/моль |
|
|
Справочное значение молярная массы эквивалентов металла, Мэкв(Ме), г/моль |
Работа № 2.2. Определение молярного объема вещества в твердом состоянии
Цель работы: определение плотности образцов неправильной формы пикнометрическим методом и расчет молярного объема исследуемого вещества.
Молярный объем вещества B (Vn) может быть рассчитан как отношение молярной массы вещества (МВ) к его плотности ():
. (1.1)
Плотность однородного вещества B есть отношение массы вещества B (mВ) к его объему (VВ):
(1.2)
Единицы измерения плотности: кг/м3 или г/см3.
Плотность вещества зависит от температуры, следовательно, и молярный объем вещества также является функцией от температуры. При постоянной температуре величины Vn и остаются постоянными.
Масса относится к числу немногих физических величин, значения которых могут быть определены непосредственными измерениями с помощью взвешивания на весах. Напротив, объем тела определяется обычно путем косвенных измерений. В случае образцов правильной геометрической формы (цилиндры, параллелепипеды) объем находим из измерения линейных размеров, которые, можно определить непосредственно с помощью линеек. При определении плотности вещества образцов сложной формы вычислить объем образца через линейные размеры невозможно.
В этом случае для определения плотности вещества в твердом состоянии используют пикнометрический метод.
Пикнометрический метод измерения плотности состоит в следующем. Пикнометр заполняют дистиллированной водой строго до метки и взвешивают. Масса пикнометра с водой будет равна
, (1.3)
где – плотность воды при температуре опыта, и – объем и масса сосуда. Затем взвешивают исследуемый образец. Очевидно, что его масса равна
, (1.4)
где – искомая плотность образца и – объем образцов.
Затем взвешенный образец погружают в пикнометр с водой. Излишек воды удаляют, чтобы ее уровень снова совпал с меткой на горлышке пикнометра, и определяют массу пикнометра с водой и образцом .
Так как объем вытесненной воды равен объему образца, погруженного в пикнометр, масса вытесненной воды будет равна . Тогда можно выразить следующим образом:
. (2.5)
Определив из уравнения (2.5) объем , получим выражение для плотности исследуемого вещества:
. (2.6)
Эта формула (2.6) и используется в работе для вычисления плотности. Однако следует помнить, что она получена при условии точного равенства заполнения пикнометра до и после помещения в него образцов. Для этого объем образцов выбирается так, чтобы / ≈ 1/3. Несовпадение объема заполнения пикнометра до и после погружения образцов в этом случае может привести к ошибке, составляющей всего лишь (0,1 – 0,2) % от истинного значения плотности.
Экспериментальная часть
Необходимое оборудование: электронные весы, часовое стекло либо листок кальки, пикнометр объемом 50 – 100 мл, термометр.
Необходимые реактивы: дистиллированная вода, образцы из исследуемого вещества.
Методика выполнения работы
Массу исследуемого вещества () определяют взвешиванием образцов на весах, руководствуясь правилами взвешивания. Объем образцов должен составлять примерно треть объема пикнометра
Пикнометр заполняют дистиллированной водой через воронку на 0,5 – 1 см ниже метки, после чего доводят точно до метки, добавляя воду при помощи капельной пипетки, и взвешивают пикнометр с водой ().
Затем образцы помещают в пикнометр. Отбирают излишек воды (шприцем или фильтровальной бумагой), при этом ее уровень должен совпадать с меткой на горлышке пикнометра. Следует также обратить внимание на то, чтобы на образцах не оставались пузырьки воздуха. Определяют массу пикнометра с остатками воды и образцами ().
Все измерения повторяют еще дважды.
Результаты измерений записывают в таблицу 2.2. Затем рассчитывают плотность исследуемого вещества по формуле (2.6). Среднее значение плотности сравнивают со справочной величиной и оценивают относительную погрешность. Далее вычисляют молярный объем вещества по формуле (2.1). Все расчетные величины, а также температура опыта (температура помещения) и молярная масса исследуемого вещества вносятся в таблицу.
Таблица 2.2
|
№ |
mВ, г |
m1, г |
m2, г |
ρВ, кг/м3 |
ρВ, ср. кг/м3 |
ρВ, спр., кг/м3 |
δ, % |
Т, ºС |
МВ, г/моль |
Vn, м3/моль |
|
1 |
||||||||||
|
2 |
||||||||||
|
3 |
В отчете должны быть даны определения используемым химическим понятиям, краткое обоснование методики измерений, их результаты, расчет плотности и молярного объема вещества, выводы.
8
PAGE 9