ХИМИЧЕСКИЙ ЭКВИВАЛЕНТ

Эквивалент – это реальная или условная частица, которая в кислотно-основных реакциях присоединяет (или отдает) один ион Н⁺ или ОН^–, в окислительно-восстановительных реакциях принимает (или отдает) один электрон, реагирует с одним атомом водорода или с одним эквивалентом другого вещества. Например, рассмотрим следующую реакцию:

H₃PO₄ + 2KOH ® K₂HPO₄ + 2H₂O.

В ходе этой реакции только два атома водорода замещаются на атомы калия, иначе, в реакцию вступают два иона Н⁺(кислота проявляет основность 2). Тогда по определению эквивалентом H₃PO₄ будет являться условная частица 1/2H₃PO₄, т.к. если одна молекула H₃PO₄ предоставляет два иона Н⁺, то один ион Н⁺ дает половина молекулы H₃PO₄.

С другой стороны, на реакцию с одной молекулой ортофосфорной кислотой щелочь отдает два иона ОН^–, следовательно, один ион ОН^– потребуется на взаимодействие с 1/2 молекулы кислоты. Эквивалентом кислоты является условная частица 1/2Н₃РО₄, а эквивалентом щелочи частица КОН.

Число, показывающее, какая часть молекулы или другой частицы вещества соответствует эквиваленту, называется фактором эквивалентности (f_Э). Фактор эквивалентности – это безразмерная величина, которая меньше, либо равна 1. Формулы расчета фактора эквивалентности приведены в таблице 1.1.

Таким образом, сочетая фактор эквивалентности и формульную единицу вещества, можно составить формулу эквивалента какой-либо частицы, где фактор эквивалентности записывается как химический коэффициент перед формулой частицы:

f_Э (формульная единица вещества) º эквивалент

В примере, рассмотренном выше, фактор эквивалентности для кислоты, соответственно, равен 1/2, а для щелочи КОН равен 1.

Между H₃PO₄ и КОН также могут происходить и другие реакции. При этом кислота будет иметь разные значения фактора эквивалентности:

H₃PO₄ + 3KOH ® K₃PO₄ + 3H₂O f_Э(H₃PO₄) = 1/3

H₃PO₄ + KOH ® KН₂PO₄ + H₂O f_Э(H₃PO₄) = 1.

Следует учитывать, что эквивалент одного и того же вещества может меняться в зависимости от того, в какую реакцию оно вступает. Эквивалент элемента также может быть различным в зависимости от вида соединения, в состав которого он входит. Эквивалентом может являться как сама молекула или какая-либо другая формульная единица вещества, так и ее часть.

Таблица 1.1 – Расчет фактора эквивалентности

Частица

Фактор эквивалентности

Примеры

Элемент

где В(Э) – валентность элемента

Простое вещество

где n(Э) – число атомов элемента (индекс в химической формуле), В(Э) – валентность элемента

f_Э(H₂) = 1/(2×1) = 1/2;

f_Э(O₂) = 1/(2×2) = 1/4;

f_Э(Cl₂) = 1/(2×1) = 1/2;

f_Э(O₃) = 1/(3×2) = 1/6

Оксид

где n(Э) – число атомов элемента (индекс в химической формуле оксида), В(Э) – валентность элемента

f_Э(Cr₂O₃) = 1/(2×3) = 1/6;

f_Э(CrO) = 1/(1×2) = 1/2;

f_Э(H₂O) = 1/(2×1) = 1/2;

f_Э(P₂O₅) = 1/(2×5) = 1/10

Кислота

где n(H⁺) – число отданных в ходе реакции ионов водорода (основность кислоты)

f_Э(H₂SO₄) = 1/1 = 1 (основность равна 1)

или

f_Э(H₂SO₄) = 1/2

(основность равна 2)

Основание

где n(ОH^–) – число отданных в ходе реакции гидроксид-ионов (кислотность основания)

f_Э(Cu(OH)₂) = 1/1 = 1 (кислотность равна 1) или

f_Э(Cu(OH)₂) = 1/2

(кислотность равна 2)

Соль

где n(Ме) – число атомов металла (индекс в химической формуле соли), В(Ме) – валентность металла; n(А) – число кислотных остатков, В(А) – валентность кислотного остатка

f_Э(Cr₂(SO₄)₃) = 1/(2×3) = 1/6 (расчет по металлу) или

f_Э(Cr₂(SO₄)₃) = 1/(3×2) = 1/6 (расчет по кислотному остатку)

Частица в окислительно-восстановительных реакциях

где – число электронов, участвующих в процессе окисления или восстановления

Fe²⁺ + 2® Fe⁰

f_Э(Fe²⁺) =1/2;

MnO₄^– + 8H⁺ + 5 ® ® Mn²⁺ + 4H₂O

f_Э(MnO₄^–) = 1/5

Ион

где z – заряд иона

f_Э(SO₄^2–) = 1/2

Пример. Определите фактор эквивалентности и эквивалент у солей: а) ZnCl₂, б) КНСО₃, в) (MgOH)₂SO₄.

Решение: Для расчетов воспользуемся формулами, приведенными в таблице 1.1.

а) ZnCl₂ (средняя соль):

f_Э(ZnCl₂) = 1/2, поэтому эквивалентом ZnCl₂ является частица 1/2ZnCl₂.

б) КНСО₃ (кислая соль):

f_Э(КНСО₃) = 1, поэтому эквивалентом КНСО₃ является частица КНСО₃.

в) (MgOH)₂SO₄ (основная соль):

f_Э( (MgOH)₂SO₄ ) = 1/2, поэтому эквивалентом (MgOH)₂SO₄ является частица 1/2(MgOH)₂SO₄.

Эквивалент, как частица, может быть охарактеризован молярной массой (молярным объемом) и определенным количеством вещества n_э. Молярная масса эквивалента (М_Э) – это масса одного моль эквивалента. Она равна произведению молярной массы вещества на фактор эквивалентности:

М_Э = М×f_Э.

Молярная масса эквивалента имеет размерность «г/моль».

Молярная масса эквивалента сложного вещества равна сумме молярных масс эквивалентов образующих его составных частей, например:

М_Э(оксида) = М_Э(элемента) + М_Э(О) = М_Э(элемента) + 8

М_Э(кислоты) = М_Э(Н) + М_Э(кислотного остатка) = 1 + М_Э(кислотного остатка)

М_Э(основания) = М_Э(Ме) + М_Э(ОН) = М_Э(Ме) + 17

М_Э(соли) = М_Э(Ме) + М_Э(кислотного остатка).

Газообразные вещества помимо молярной массы эквивалента имеют молярный объем эквивалента ( или V_Э) – объем, занимаемый молярной массой эквивалента или объем одного моль эквивалента. Размерность «л/моль». При н.у. получаем:

Закон эквивалентов был открыт в 1792 г. И. Рихтером. Современная формулировка закона: вещества реагируют и образуются согласно их эквивалентам. Все вещества в уравнении реакции связаны законом эквивалентов, поэтому:

n_э(реагента₁) = … = n_э(реагента_n) = n_э(продукта₁) = … = n_э(продукта_n)

Из закона эквивалентов следует, что массы (или объемы) реагирующих и образующихся веществ пропорциональны молярным массам (молярным объемам) их эквивалентов. Для любых двух веществ, связанных законом эквивалентов, можно записать:

или или ,

где m₁ и m₂ – массы реагентов и (или) продуктов реакции, г;

, – молярные массы эквивалентов реагентов и (или) продуктов реакции, г/моль;

V₁, V₂ – объемы реагентов и (или) продуктов реакции, л;

,– молярные объемы эквивалентов реагентов и (или) продуктов реакции, л/моль.

Л.А. Яковишин