Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 78. Хімічний еквівалент. Закон еквівалентів

Поняття про хімічний еквівалент

Із відкриттям закону сталості складу речовин стало зрозумілим, що атоми хімічних елементів сполучаються один з одним тільки в певних кількісних співвідношеннях. Того часу в хімічну термінологію ввели поняття про хімічний еквівалент (від латин. aequivalens — рівнозначний, рівноцінний), або просто еквівалент. У тих випадках, коли валентність елементів була невідома, неможливо було визначити хімічну формулу речовини, зручніше було використовувати умовні частинки або кількості речовини, еквівалентні 1 моль атомів Гідрогену.

Сьогодні, ґрунтуючись на знаннях про будову атомів та будову речовини, хімічний еквівалент визначають так:

Хімічний еквівалент — це реальна або умовна частинка, що в кислотно-основних (йонообмінних) реакціях утворює, приєднує або в інший спосіб рівноцінна одному катіону Гідрогену Н⁺, а в окисно-відновних реакціях рівноцінна одному електрону.

Наприклад, під час реакції:

NH₃ + НСl = NH₄Cl

одна молекула амоніаку приєднує один йон Н⁺, отже, в цій реакції хімічним еквівалентом амоніаку є одна його молекула.

Дещо інакше в реакції окиснення амоніаку:

4ΝΗ₃+ 3О₂ = 2Ν₂ + 6Н₂О

Для позначення та математичного опису еквівалентів використовують дві величини: число еквівалентності та фактор еквівалентності.

Число еквівалентності z — це невелике ціле додатне число, що дорівнює кількості еквівалентів в одній молекулі, йоні або формульній одиниці речовини.

В описаних прикладах під час взаємодії з кислотою еквівалентом є вся молекула амоніаку, отже, для цього випадку z = 1, а в реакції окиснення одна молекула містить три еквіваленти і z = 3.

Фактор еквівалентності f — це число, яке показує, яка частина молекули, йона або формульної одиниці речовини відповідає одному еквіваленту речовини.

Із двох цих визначень можна зробити висновок, що число еквівалентності та фактор еквівалентності — це обернені величини:

Ці числа використовують не лише для обчислень, але й для позначення формул хімічних еквівалентів:

Визначення хімічного еквівалента

Як ви вже зрозуміли з попереднього підрозділу, для однієї і тієї самої речовини можуть бути різні еквіваленти залежно від хімічної реакції, в якій бере участь ця речовина. До того ж, хімічний еквівалент визначають не лише для речовин, але й для йонів.

Перед визначенням еквівалента насамперед необхідно визначити, в контексті якої хімічної реакції розглядається речовина.

Для реагентів та продуктів окисно-відновних реакцій z дорівнює кількості прийнятих або відданих електронів молекулою (формульною одиницею) речовини (див. Приклад 1).

Для реагентів та продуктів кислотно-основних реакцій (або реакцій йонного обміну) z дорівнює кількості йонів Гідрогену Н⁺, що може приєднати/від'єднати молекула або йон;

або

z дорівнює заряду йона, тобто кількості йонів Н⁺, що зумовлюють такий самий заряд.

За цими правилами можна визначити хімічний еквівалент будь-яких речовин основних класів неорганічних сполук.

• Прості речовини зазвичай беруть участь в окисно-відновних реакціях, тому необхідно враховувати ступінь окиснення (за модулем) відповідного елемента в продукті реакції:

z = (кількість атомів у молекулі) • (модуль ступеня окиснення в продукті реакції)

• Оксиди. У випадках з оксидами беруть до уваги ступінь окиснення хімічного елемента у складі оксиду (без урахування Оксигену) та кількість його атомів у молекулі (формульній одиниці) оксиду:

z = (кількість атомів у молекулі) • (ступінь окиснення елемента)

• Кислоти зазвичай беруть участь у кислотно-основних реакціях, для них беруть до уваги їхню основність, тобто кількість йонів Гідрогену, що можна в них замістити:

z = основність кислоти

Певна річ, в одноосновних кислот еквівалент співпадає з молекулою кислоти, а у випадках із багатоосновними кислотами слід звертати увагу на те, у склад якої солі переходить кислотний залишок — середньої чи кислої:

• Гідроксиди. Для визначення хімічного еквівалента гідроксидів (основ чи амфотерних гідроксидів) беруть до уваги кількість гідроксид-іонів, заміщених під час реакції (так само як і для кислот):

z = кількість груп ОН у формульній одиниці

• Солі. Еквівалент солей можна визначати як за катіоном, так і за аніоном. В обох випадках необхідно враховувати кількість йонів та їхній заряд (за модулем):

z = (кількість катіонів у формульній одиниці) • (заряд катіона)

z = (кількість аніонів у формульній одиниці) • (модуль заряду аніона)

• Йони. Для визначення хімічного еквівалента йонів — катіонів чи аніонів — значення має лише їхній заряд:

z = модуль заряду йона

Фізичні величини, що характеризують хімічний еквівалент

До поняття «хімічний еквівалент» слід ставитися так само, як і до поняття «речовина» (хоча в багатьох випадках нереальної й умовної, але все одно, як до речовини). Зважаючи на це, до хімічного еквівалента застосовні ті самі фізичні величини, що і для молекул чи йонів речовини.

1. Кількість речовини еквівалента — це аналог кількості речовини і характеризує кількість тих реальних або умовних частинок, що називають еквівалентом. Позначають так само, як і кількість речовини — n, одиниця вимірювання така сама — моль. Для кількості речовини еквівалента справедлива рівність:

Наприклад, для наведеного на початку параграфа рівняння окиснення амоніаку:

Ліву частину цього рівняння вимовляють так: «кількість речовини однієї третини амоніаку».

2. Молярна маса еквівалента — маса еквівалента речовини кількістю 1 моль, що є аналогом молярної маси речовини з урахуванням числа (або фактора) еквівалентності:

Одиниця вимірювання така сама, як і в молярної маси речовини — г/моль. Наприклад, для горіння амоніаку:

3. Молярний об’єм еквівалента — об’єм еквівалента речовини кількістю 1 моль:

Як і більш звичний молярний об’єм, молярний об’єм еквівалента застосовують здебільшого для газуватих речовин і наводять приведеним до нормальних умов. Але, якщо молярний об’єм для всіх газуватих речовин за нормальних умов однаковий і дорівнює 22,4 л/моль, то молярний об’єм еквівалента може змінюватися, залежно від числа еквівалентності. Наприклад, для амоніаку:

Звісно, що між наведеними трьома фізичними величинами існує взаємозв’язок, як і для їхніх більш уживаних аналогів:

Закон еквівалентів

Уведення в хімічну практику поняття про еквівалент значно полегшило математичну обробку результатів експериментів і пришвидшило становлення атомно-молекулярного вчення та стехіометрії. Аналізуючи результати експериментів 1792 року, Ієремія Беньямін Ріхтер сформулював закон еквівалентів:

Усі речовини реагують одна з одною і утворюються в еквівалентних кількостях.

Слово «еквівалентний» означає «рівноцінний, або однаковий», тоді закон еквівалентів можна сформулювати дещо в інший спосіб:

Кількості речовини еквівалентів усіх учасників реакції (як реагентів, так і продуктів) завжди однакові.

У загальному вигляді для реакції:

аА + bВ = cС + dD

Наприклад, для горіння амоніаку:

4ΝΗ₃ + 3О₂ = 2Ν₂ + 6Н₂О

Цей закон стає очевидним, якщо проаналізувати співвідношення стехіометричних коефіцієнтів та кількості речовини еквівалентів реагентів і продуктів реакції (див. Приклад 2).

Пригадайте, як ви навчалися розв’язувати розрахункові задачі за рівняннями хімічних реакцій. Тоді ви використовували співвідношення кількості речовини і стехіометричних коефіцієнтів. Ним ми користувалися, наприклад, у § 24. Принципи розв’язання таких задач ґрунтуються на законі еквівалентів.

Використання поняття про хімічний еквівалент у наш час

На момент відкриття закон еквівалентів мав дуже велике значення. Сьогодні його зміст здається очевидним, але лише тому, що ні в кого немає сумнівів щодо положень атомно-молекулярного вчення.

Поняттям про хімічний еквівалент сьогодні користуються досить обмежено. Якщо двісті років тому без нього неможливо було визначити склад нових речовин, то в наш час хімічні методи, що ґрунтуються на законах стехіометрії, для цього майже не використовують. Для визначення складу і хімічної будови речовин сьогодні є набагато потужніші фізико-хімічні методи та сучасне устаткування. Наприклад, прилад для елементного аналізу може за кілька хвилин визначити хімічну формулу будь-якої речовини без численних тривалих експериментів.

Сьогодні поняття про еквівалент застосовують лише в кількісному аналізі. В аналітичній хімії також використовують ще один спосіб вираження складу розчинів — молярну концентрацію еквівалента, що традиційно називають також нормальністю розчину. Він є аналогом молярності розчину, але з використанням кількості речовини еквівалента.

Оскільки поняттям про еквівалент користуються дуже рідко, то в деяких посібниках з хімії залишилися застарілі терміни, на які ви можете натрапити.

Так, наприклад, застарілим є таке визначення еквівалента: хімічний еквівалент елемента — це така його кількість, що сполучається з 1 моль водню чи 0,5 моль кисню або заміщує таку саму їх кількість.

Це означення не суперечить поняттю про еквівалент, але воно зовсім не відображає його зміст.

Певна плутанина також трапляється і з фізичними величинами. Наприклад, для позначення кількості речовини еквівалента чи молярної маси еквівалента використовують букву Е (n_Е, М_Е, V_mE, або просто Е), використовують терміни «маса еквівалента», «еквівалентна маса» або просто «еквівалент», а в одиницях вимірювання трапляється «г-еквівалент», «г/еквівалент», «моль-еквівалент» тощо. Ці позначення та поняття сьогодні є застарілими і не мають використовуватися.

Слід зазначити, що в цьому параграфі наведено позначення, терміни і поняття тільки згідно з останніми рекомендаціями IUPAC та системою СІ.

Ключова ідея

Закон еквівалентів поєднує хімічну природу речовин з математичним описанням їх кількості.

Запитання та завдання

453. Сформулюйте визначення хімічного еквівалента, числа і фактора еквівалентності.

454. Сформулюйте правила визначення числа еквівалентності (хімічного еквівалента) для: а) оксидів, кислот, основ і солей; б) речовин, що беруть участь в окисно-відновних реакціях; в) речовин, що беруть участь у кислотно-основних реакціях.

455. Схарактеризуйте фізичні величини: кількість речовини еквівалента, молярна маса еквівалента, молярний об'єм еквівалента. Запишіть формули для їх обчислення.

456. Визначте число (фактор) еквівалентності сульфатної кислоти та купрум(ІІ) гідроксиду в реакціях: