Методическое руководство по выполнению лабораторных работ по курсу «химия»

Лабораторная работа № 1 «Определение молярной массы

Эквивалента металла методом вытеснения водорода»

Теоретическое введение

Эквивалентом называют реальную или условную частицу вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким – либо другим способом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях

Из закона постоянства состава следует, что атомы элементов соединяются друг с другом в строго определенных количественных соотношениях. То же можно сказать и о взаимодействии сложных веществ. В связи с этим были введены понятия фактора эквивалентности (эквивалента) и молярной массы эквивалента вещества.

Фактором эквивалентности (f_экв) называется число показывающее, какая доля частицы (атома, молекулы) этого вещества равноценна одному иону Н⁺ в реакциях обмена или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Молярная масса эквивалента (М_экв) – это масса одного моль (6,02·10²³ частиц) эквивалента вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества.

М_экв = f_экв·М

· В реакции Н₃РО₄ + NaOH = NaH₂PO₄ + Н₂О

f_{экв (Н3РО4)} = 1

т.к. в 1 молекуле Н₃РО₄ замещается 1 атом Н;

· В реакции Н₃РО₄ + 2NaOH = Na₂HPO₄ + 2Н₂О

f_{экв (Н3РО4)} = 1/2

т.к. в 1 молекуле Н₃РО₄ замещается 2 атома Н

· В окислительно-восстановительной реакции:

· 5Na₂S ⁺⁴ O₃+ 2KMn ⁺⁷ O₄ + 3H₂SO₄ =5Na₂S ⁺⁶ O₄ + 2Mn ⁺² SO₄ + K₂ SO₄ +3Н₂О

фактор эквивалентности (эквивалент) окислителя KMnO₄:

f_{экв (KMnO4)} = 1/5

т.к. в 1 молекула KMnO₄ присоединяет 5 электронов:

Mn⁺⁷+ 5ē = Mn⁺²

фактор эквивалентности (эквивалент) восстановителя Na₂SO₃:

f_{экв (Na2SO3)} = 1/2

т.к. в 1 молекула Na₂SO₃ отдает 2 электрона:

S⁺⁴ − 2ē = S⁺⁶

Закон эквивалентов: массы реагирующих веществ прямо пропорциональны молярным массам эквивалента этих веществ.

Например, если реагируют вещества А и В, то

m_(A) : m_(B) = М_экв(A): М_экв(B)

где m_(A) и m_(B) – массы реагирующих веществ

М_экв(A) и М_экв(B) – молярные массы эквивалентов реагирующих веществ.

На основе закона эквивалентов можно вывести следующие формулы для вычисления эквивалентных масс сложных веществ:

Мэ_оксида = М_эквоксида/ Число атомов элемента • валентность элемента;

Мэ_{кислоты} = М_экв кислоты / Основность кислоты;

Мэ_{основания} = М_экв основания / Кислотность основания;

Мэ_соли = М_эквсоли/ Число атомов металла • валентность металла.

Пользуясь законом эквивалентов и зная молярные массы эквивалента кислорода (8,000 г/моль) и водорода (1,008 г/моль) можно определить молярные массы эквивалентов любых веществ, соединяющихся с кислородом или водородом, или замещающих кислород или водород в каких-либо соединениях.

В случае газообразных веществ иногда бывает удобно пользоваться объёмными значениями молярной массы эквивалента. При нормальных условиях: Р = 101, 3 кПа (760 мм рт. ст.) и Т = 273,15 К (0° С) объём молярной массы эквивалента водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода – 5,6 л/моль.

Экспериментальная часть

Общие требования. На основании уравнений Менделеева – Клапейрона и объединенного газового закона рассчитайте молярную массу эквивалента металла, абсолютную и относительную ошибки и сделайте выводы к проделанной работе.

Прибор для определения молярной массы эквивалента состоит из закрепленной в штативе бюретки, нижний конец которой соединен резиновой трубкой с воронкой играющей роль уравнительного сосуда. Верхний конец бюретки посредством согнутой стеклянной трубки и резиновых пробок соединен с пробиркой. Схема заполнена водой.

Перед опытом необходимо проверить герметичность прибора. Для этого надо присоединить плотно пробирку и затем опустить воронку так, чтобы уровень жидкости в ней был ниже, чем в бюретке, т. е. создать в бюретке некоторое разрежение газа. Если при этом уровень воды, в бюретке несколько опустившись, остаётся постоянным (в течение 1 – 2 мин.), то прибор можно считать герметичным.

Затем следует отсоединить пробирку и налить в неё 3 – 4 мл 10 % - ного раствора HCl. Навеску металла в маленьком бумажном пакетике надо положить внутрь пробирки так, чтобы навеска не касалась кислоты. Осторожно присоединить пробирку и испытать прибор на герметичность. Определить и записать уровень воды в бюретке V₁ (определить по нижнему мениску), для этого привести воду в бюретке и воронке к одному уровню. Если прибор герметичен, то осторожным постукиванием по пробирке добиться, чтобы металл упал в кислоту. При реакции металла с кислотой будет выделяться водород, и вытеснять воду из бюретки в воронку. По окончании реакции (прекращение выделения водорода) опять привести воду в бюретке и воронке к одному уровню, т. е. создать в бюретке давление равное атмосферному давлению и записать уровень воды в бюретке V_2. Разность уровней до и после реакции даст объём выделившегося водорода.

Запись экспериментальных данных и условий опыта:

· Масса металла М_ме =

· Объём выделившегося водорода V_H2 = V₂ - V₁

· Температура (° С) t =

· Абсолютная температура (К) Т =

· Атмосферное давление (мм рт. ст.) Р =

· Давление насыщенного водяного пара (мм рт. ст.) h =

· Парциальное давление водорода Р_Н2 = Р – h =

 

ВЫЧИСЛЕНИЯ

Рассчитайте молярную массу эквивалента металла двумя способами:

1. Подставив в уравнение Клапейрона – Менделеева

 

PV = (m/М)·RT

соответствующие величины вычислите массу выделившегося водорода m_H2 (Подставив R = 62400 мм рт. ст./ К·моль)

Затем, по закону эквивалентов, вычислите молярную массу эквивалента металла:

Мэ_ме = m_Ме · Мэ_Н2/ m_H2

2. По уравнению объединенного газового закона:

PV/ T = P₀V₀/ T₀

приведите объём выделившегося водорода к нормальным условиям (определите V_{0 Н2}). Вычислите молярную массу эквивалента металла, заменив массу и молярную массу эквивалента водорода в уравнении закона эквивалентов на соответствующие им объёмные значения:

 

Мэ_Ме = m_Ме·11200/ V_{0 Н2}

 

Ø Вычислите абсолютную ошибку опыта. Для этого рассчитайте теоретическую молярную массу эквивалента металла, взяв атомную массу металла (из таблицы Д.И. Менделеева) и разделив её на валентность.

Абсолютная ошибка = Мэ_теор. - Мэ_{экспер.}

Ø Вычислите относительную ошибку опыта в процентах:

Относительная ошибка = (абсол. ошибка/ Мэ_теор) · 100 %

 

Вопросы к защите лабораторной работы

1. Что называется эквивалентом вещества, молярной массой эквивалента? Как вычислить молярную массу эквивалента элемента и сложного вещества? В чем сущность закона эквивалентов?

2. Определите эквивалентную массу металла, из 1 г которого образуется 1,2518 г оксида.

3. При взаимодействии с водой 6,65 г щелочного металла выделилось 0,56 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Какой это металл?

 

Ø Учебная литература: /1/, с.15; /2/, с.147; /4/, с.31-33; /6/, с. 7-8.