Как найти эквивалент вещества: решение задачи
Дано: серная кислота массой г, полная нейтрализация гидроксидом алюминия . Найти: молярные массы эквивалента кислоты, основания и получающейся соли , а также массу гидроксида алюминия.
Эквивалент находят в два действия: сначала определяют число эквивалентности по уравнению реакции, затем делят на него молярную массу. Ответ: 49, 26 и 57 г/моль, гидроксида алюминия потребуется 5,2 г.
Калькулятор сверху считает фактор эквивалентности, молярную массу эквивалента и массу второго вещества по закону эквивалентов. На диаграмме видно главное свойство эквивалента: одна и та же молярная масса при разных даёт разные ответы, поэтому сначала уравнение реакции и только потом деление. Ниже тот же расчёт разобран вручную.
Решение по шагам
Дано. г/моль, г/моль, г/моль, масса кислоты г. Найти: трёх веществ и массу основания.
Шаг 1. Записываем уравнение реакции. Число эквивалентности читается не из формулы вещества, а из того, что с этим веществом происходит, поэтому уравнение нужно до всякой арифметики:
Нейтрализация полная: кислота отдаёт оба протона, основание расстаётся со всеми тремя гидроксогруппами.
Шаг 2. Эквивалент кислоты. У кислоты равно числу ионов , замещённых в этой реакции. Здесь их два, значит фактор эквивалентности равен одной второй:
Шаг 3. Эквивалент основания. У основания равно числу замещённых групп . Их три:
Шаг 4. Эквивалент соли. Для соли равно числу катионов, умноженному на их заряд. В сульфате алюминия два иона , значит :
Шаг 5. Считаем количество вещества эквивалента в навеске. Массу делим не на молярную массу, а на молярную массу эквивалента:
Шаг 6. Применяем закон эквивалентов. Вещества реагируют равными количествами эквивалентов, поэтому гидроксида алюминия тоже нужно 0,2 моль эквивалента:
Соли по той же логике получится г.
Проверка через уравнение реакции. Считаем обычные количества вещества: моль, по коэффициентам моль, отсюда масса г. Соли выйдет г. Оба пути дали одно и то же, значит числа эквивалентности выбраны верно.
Ответ. г/моль, г/моль, г/моль; на 9,8 г кислоты нужно 5,2 г гидроксида алюминия.
Формула и откуда она берётся
Эквивалент это реальная или условная частица вещества, которая равноценна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной. Идея простая: молекулы разных веществ реагируют не поштучно, а в отношении, заданном коэффициентами уравнения. Чтобы избавиться от коэффициентов, вводят порцию, которая у всех участников одинакова по химической силе.
Величина, которая показывает, какую долю формульной единицы занимает эквивалент, называется фактором эквивалентности: , где и есть число эквивалентности. Через него определяются остальные величины:
Закон эквивалентов записывается одной строкой: вещества взаимодействуют между собой в равных количествах эквивалентов. В расчётной форме, удобной для задач, он превращается в пропорцию, где коэффициентов реакции уже нет:
Отсюда и удобство метода: если известны массы двух веществ, можно найти неизвестную молярную массу эквивалента, вообще не зная формулы вещества и не составляя уравнение. Именно так в девятнадцатом веке определяли эквивалентные массы новых элементов, и именно так до сих пор решают задачи про неизвестный металл.
Число эквивалентности для разных классов веществ
Ключевой навык здесь один: правильно посчитать . Правило зависит от класса вещества, но в каждом случае считается одно и то же, число элементарных актов обмена на формульную единицу.
| Класс | Что считать в | Пример | , г/моль | , г/моль | |
|---|---|---|---|---|---|
| Кислота | замещённые ионы | , полная нейтрализация | 2 | 98 | 49 |
| Кислота | замещённые ионы | 1 | 98 | 98 | |
| Основание | замещённые группы | , полная нейтрализация | 3 | 78 | 26 |
| Соль | число катионов на их заряд | 6 | 342 | 57 | |
| Соль | число катионов на их заряд | 2 | 106 | 53 | |
| Оксид | число атомов элемента на валентность | 6 | 102 | 17 | |
| Простое вещество | валентность элемента | 2 | 24 | 12 |
Две строки про серную кислоту в таблице стоят рядом не случайно. Одно и то же вещество имеет разные эквиваленты в разных реакциях: при получении сульфата натрия замещаются оба протона и г/моль, а при получении кислой соли гидросульфата натрия только один, и молярная масса эквивалента совпадает с молярной массой. Поэтому фраза задачи о том, какая соль образуется, это не литературное украшение, а исходное данное.
Эквивалент окислителя и восстановителя
В окислительно-восстановительных реакциях эквивалентом считают частицу, принимающую или отдающую один электрон. Число эквивалентности равно числу электронов в полуреакции, и его берут из электронного баланса, а не из степени окисления как таковой. Классический пример это перманганат калия, у которого г/моль и три разных поведения в зависимости от среды.
| Среда | Продукт восстановления марганца | Электронов | , г/моль |
|---|---|---|---|
| Кислая | 5 | 31,6 | |
| Нейтральная | 3 | 52,7 | |
| Щелочная | 1 | 158 |
Разброс восьмикратный, поэтому в задачах на титрование среду указывают всегда. У дихромата калия переход идёт в , на два атома хрома приходится шесть электронов, и молярная масса эквивалента равна г/моль. На этом факторе эквивалентности построен целый метод анализа, дихроматометрия, где концентрацию восстановителя находят прямо по объёму титранта.
Когда даны объём газа или раствор
Для газов удобнее работать не с массой, а с объёмом, поэтому вводят эквивалентный объём: при нормальных условиях моль эквивалента водорода занимает л, а моль эквивалента кислорода л. Отсюда решается типовая задача про неизвестный металл: если 1,2 г металла вытеснили 1,12 л водорода, то моль, а г/моль. При валентности два это магний.
Для растворов количество эквивалентов в литре называют молярной концентрацией эквивалента, или нормальностью. Наши 0,2 моль эквивалента, растворённые в 500 мл, дают моль эквивалента на литр, то есть 0,4 н. раствор. Закон эквивалентов для растворов принимает вид , где концентрации нормальные: на нейтрализацию нашей навески уйдёт 2 л 0,1 н. щёлочи независимо от того, какая именно щёлочь взята.
Если концентрация в условии задана в процентах, её сначала переводят в массу растворённого вещества, как в разборе про массовую долю раствора, и только потом делят на молярную массу эквивалента. В том же виде, миллимолях эквивалента на литр, измеряют и жёсткость воды: единица измерения выбрана именно потому, что ионы кальция и магния связываются реагентами по эквивалентам, а не по массе.
Для слабых электролитов число реально работающих ионов меньше расчётного - какую долю молекул распадается, показывает степень диссоциации.
Частые ошибки
- Число эквивалентности берут из формулы, а не из уравнения. У серной кислоты только при полной нейтрализации; в реакции с образованием гидросульфата , и ответ отличается вдвое. Сначала уравнение, потом деление.
- Массу делят на молярную массу вместо молярной массы эквивалента. Тогда вместо 0,2 моль эквивалента получается 0,1 моль обычного вещества, и дальше в закон эквивалентов подставляется величина не той природы.
- У соли считают анион. В число эквивалентности можно посчитать и по катионам, и по анионам, но результат должен быть одинаков: . Ошибка появляется, когда берут заряд без индекса и получают 3 вместо 6.
- В окислительно-восстановительной реакции подставляют степень окисления. Нужна разность степеней окисления, то есть число перешедших электронов: для перехода это 5, а не 7 и не 2.
- Эквивалентный объём водорода считают равным 22,4 л/моль. Молекула водорода даёт два эквивалента, поэтому объём вдвое меньше, 11,2 л. Ошибка сразу удваивает молярную массу неизвестного металла.
- Забывают, что закон эквивалентов не отменяет проверки. Полезно один раз пересчитать ответ через коэффициенты уравнения: расхождение означает, что выбрано неправильно.
FAQ
Чем эквивалент отличается от моля? Моль это порция из числа Авогадро формульных единиц, а моль эквивалента порция, равноценная одному молю ионов водорода или электронов. Если , они совпадают, а при моль вещества содержит молей эквивалента. Численно на 0,1 моль серной кислоты приходится 0,2 моль эквивалента.
Может ли фактор эквивалентности быть равен единице? Да, и это обычная ситуация: у соляной кислоты , гидроксида натрия и хлорида натрия число эквивалентности равно единице, поэтому молярная масса эквивалента совпадает с молярной массой. Для таких веществ закон эквивалентов внешне неотличим от обычного расчёта по уравнению.
Как найти эквивалент вещества, если реакция неизвестна? Тогда задачу решают в обратную сторону: измеряют массы двух прореагировавших веществ и используют закон эквивалентов как пропорцию. Из находят неизвестную молярную массу эквивалента, а по ней уже подбирают валентность и сам элемент.
Зачем нормальность, если есть молярная концентрация? Нормальность удобна в титриметрии: растворы с равной нормальностью реагируют равными объёмами, и объёмы титранта сравниваются напрямую, без коэффициентов уравнения. Пересчёт между концентрациями простой: нормальность равна молярной концентрации, умноженной на число эквивалентности.
Коротко
- Записать уравнение реакции: число эквивалентности определяется реакцией, а не формулой вещества.
- Найти по классу вещества: у кислоты число замещённых , у основания число групп , у соли число катионов на их заряд, в окислительно-восстановительной реакции число электронов.
- Посчитать фактор эквивалентности и молярную массу эквивалента .
- Перевести навеску в количество вещества эквивалента: .
- Применить закон эквивалентов и проверить ответ по коэффициентам уравнения. Для 9,8 г это даёт 49, 26 и 57 г/моль и 5,2 г .
Похожие задачи
Как найти нормальность раствора: решение задачи
Как найти нормальность раствора по навеске и объёму колбы: формула через молярную массу эквивалента, пересчёт нормальности в молярность и титр, закон эквивалентов в титровании.
Общая/неорг. химияКак найти электродный потенциал: расчёт по Нернсту
Как найти электродный потенциал одной полуреакции: уравнение Нернста, учёт концентраций окисленной и восстановленной форм, поправка на pH и пересчёт из шкалы электрода сравнения.
Общая/неорг. химияКак рассчитать константу равновесия: Kc и Kp
Как рассчитать константу равновесия по равновесным концентрациям: выражение Kc, единицы константы, перевод в Kp через изменение числа молей газов и обратный ход к исходному составу.
Общая/неорг. химияКак найти координационное число: разбор по формуле
Как найти координационное число комплекса по формуле соединения и атома в кристалле: подсчёт донорных атомов с учётом дентатности лигандов, степень окисления центра, геометрия и КЧ решёток.
Общая/неорг. химияКак рассчитать ЭДС гальванического элемента: решение
Как рассчитать ЭДС гальванического элемента: разность стандартных электродных потенциалов, выбор анода и катода, поправка по уравнению Нернста и проверка через потенциалы электродов.
Общая/неорг. химияКак рассчитать степень гидролиза: формула и пример
Как рассчитать степень гидролиза соли: константа гидролиза Kг = Kw / Ka, формула h = корень из Kг / C, расчёт pH на примере 0,1 М KCN, влияние разбавления и нагрева.