Хімічний еквівалент

Хімічний еквівалент
Позначення одиниці	equiv, Eq і val
В основній одиниці СІ	1 моль
Фізична величина	кількість речовини

Хімíчний еквівалéнт — це умовна частинка, в ціле число разів менша від відповідної формульної одиниці або ж рівна їй. Еквівалент може бути визначений для речовини, іону, іншого стійкого угрупування атомів. Одна формульна одиниця речовини X містить z(X) еквівалентів, тут ціле число z(X) називають числом еквівалентності. Еквівалент відповідає переносу 1 катіона гідрогену в реакції нейтралізації, 1 електрона в окисно-відновній реакції, заряду іону величини 1.

Частіше поняттям еквівалента оперує неорганічна хімія, зрідка також і органічна. Число еквівалентності речовини залежить не лише від типу реакції, до якої вона входить, а й навіть від самої реакції. Тим не менше, використання цього поняття дозволяє систематизувати й компактизувати розрахунки.

Логіка виникнення поняття

Ще алхіміки зрозуміли, що речовини взаємодіють одна з іншою у певних, наперед визначених природою речовин та умовами взаємодії, відношеннях (т. зв. «стехіометричні співвідношення»). Спочатку для фіксації цих відношень використовували маси, і побачити якісь закономірності у відношеннях мас взаємодіючих речовин було дуже складно. Попри це, саме тоді був закладений ґрунт для пізнішого формулювання закону еквівалентів. Формулювання закону кратних відношень, подальше впорядкування хімічних елементів у періодичну систему і введення поняття кількості речовини з відповідною одиницею вимірювання (моль) дали змогу встановити, що кількості речовин, які входять до реакції, пропорційні невеликим цілим числам. Це є вираженням того факту, що молекула входить до реакції з одною чи кількома іншими молекулами. Тепер якщо захотіти подальшого спрощення, а саме щоб речовини, виміряні в якихось величинах, взаємодіяли одна із одною 1:1, то виявиться, що достатньо взяти таку фізичну величину, як кількість речовини, але вимірювати нею не самі речовини, а їхні еквіваленти.

Застарілі визначення

Еквівалент речовини — це така її кількість, що хімічно еквівалентна 1 моль атомів Гідрогену, ½ моль атомів Оксигену чи еквівалентній кількості будь-якої іншої речовини. Тут «хімічно еквівалентна 1 моль атомів Гідрогену» означає: з'єднується з 1 моль атомів Гідрогену або заміщує таку саму кількість атомів Гідрогену в хімічних реакціях.

Також раніше замість поняття молярної маси еквіваленту використовували «нову одиницю» грам-еквівалент, а зрідка ще й замість поняття кількості речовини еквіваленту — «нову одиницю» моль-еквівалент.

Типи хімічного еквіваленту

Спосіб визначення еквіваленту речовини, а саме числа еквівалентності z(X), суттєво залежить від типу хімічної реакції. В реакціях обміну визначають обмінний еквівалент, або просто еквівалент. В окисно-відновних реакціях визначають електрохімічний еквівалент. Також можна визначити еквівалент атома чи стійкої групи атомів у сполуці, фактично так само, як обмінний еквівалент.

Обмінний еквівалент

Еквівалентом є частинка, яка в реакції обміну несе 1 електричний заряд (позитивний або негативний). Отже, число еквівалентності z(X) дорівнює кількості зарядів (одного знаку), які вносить в реакцію частинка (іон, молекула чи формульна одиниця) — «нейтралізовуваний заряд». Також можна сказати, що z(X) дорівнює кількості електронних пар, що беруть участь в реакції, — таких, що несе частинка або з якими взаємодіє.

Приклади:

• Fe(OH)₃↓ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O: іонна форма: Fe(OH)₃↓ + 3H⁺ = Fe³⁺ + 3H₂O

z(H⁺) = z(HCl) = 1, z(Fe(OH)₃) = z(Fe³⁺) = 3

Для однозарядної частинки (H⁺, OH^–) завжди z = 1. Хоча Cl^– безпосередньо не бере участі в реакції, за законом еквівалентів можна визначити z(Cl^–) = 1.

• Na₂HPO₄ + CaCl₂ = CaHPO₄↓ + 2NaCl: іонна форма: HPO^2–
  ₄ + Ca²⁺ = CaHPO₄↓

z(Na₂HPO₄) = z(HPO^2–
₄) = z(Ca²⁺) = z(CaHPO₄) = 2

Хоча фосфат-аніон PO^3–
₄ має заряд 3, в цій реакції беруть участь лише 2 одиниці цього заряду, тоді як третя залишається блокованою катіоном H⁺.

• Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]: іонна форма: Zn(OH)₂ + 2OH^– = [Zn(OH)₄]^2–

z(OH^–) = z(NaOH) = 1, z([Zn(OH)₄]^2–) = z(Zn(OH)₂) = 2

Формульна одиниця гідроксиду Zn(OH)₂ приєднує 2 негативних заряди (у складі гідроксогруп). Значення числа еквівалентності z(Zn(OH)₂) також можна визначити за законом еквівалентів (спираючись на z(NaOH)=1 та стехіометричні коефіцієнти) або виходячи з того факту, що ця частинка взаємодіє із двома неподіленими парами електронів і утворює два нових ковалентних зв'язки.

Еквівалент елемента або іону в речовині:

• MgO: Речовина побудована з іонів Mg²⁺ та O^2–, число еквівалентності кожного з них дорівнює абсолютній величині заряду, тобто 2. Так само z(MgO) = 2, приміром:

MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O

• CH₄

Можна визначити ступені окиснення і з них так само, як вище, числа еквівалентності: z(H) = 1, z(C) = 4. З іншого боку, z(H) = 1 завжди, і за законом еквівалентів знов-таки z(C) = 4.

• Na₂HPO₄

z(Na⁺) = 1, а далі слід визначитися з розділенням формульної одиниці на катіон та аніон, тобто конкретизувати реакцію, в якій ця речовина візьме участь. Так, в реакції з Ca²⁺ (див. вище) фрагмент HPO^2–
₄ зберігається як єдине ціле, тому z(HPO^2–
₄) = 2 = z(Na₂HPO₄). Але в реакції з твердим лугом чи концентрованим його розчином:

Na₂HPO₄ + NaOH = Na₃PO₄ + H₂O: «зберігається» фрагмент Na₂PO^–
₄ і відщеплюється катіон H⁺, тож z(Na₂PO^–
₄) = 1 = z(Na₂HPO₄), що підтверджується і законом еквівалентів (стехіометричне співвідношення 1:1 при z(NaOH) = 1).

• CaCO₃

Традиційний запис, згідно із зарядами іонів, z(Ca²⁺) = z(CO^2–
₃) = z(CaCO₃) = 2. Але це не єдиний можливий варіант. Розглянемо реакції:

CaCO₃↓ + 2H⁺ = Ca²⁺ + CO₂↑ + H₂O: CaCO₃↓ + H⁺ = Ca²⁺ + HCO^–
₃

В першій «нейтралізовуваний заряд» збігається із зарядом іонів і вищенаведена відповідь 2 правильна. У другій із 2 одиниць заряду іону CO^2–
₃ нейтралізується лише одна, тому z(CO^2–
₃) = z(CaCO₃) = 1.

• Na₂O₂

Речовина побудована з іонів Na⁺ та O^2–
₂, їхні числа еквівалентності 1 і 2 відповідно. Угрупування O^2–
₂ тут є стійким, отже, еквівалент Оксигену визначати немає сенсу, але якщо це все ж таки зробити, отримаємо z(O) = 1 замість очікуваного 2. Це є наслідком того, що одна валентність кожного з атомів Оксигену витрачається на формування зв'язку з іншим.

Як витікає з наведених прикладів, застосування поняття еквіваленту елемента в речовині несе найбільшу користь у випадку бінарних речовин з аніоном та катіоном простої будови.

Електрохімічний еквівалент

Електрохімічний еквівалент — це умовна чи реальна частинка, яка в окисно-відновній реакції віддає або приймає 1 електрон. Так само залежить від реакції для переважної більшості окисників і відновників. Приміром, катіон Fe³⁺ можна відновити до Fe²⁺, тоді z(Fe³⁺) = 1, або ж одразу до вільного заліза Fe⁰, тоді z(Fe³⁺) = 3.

Еквівалентні величини

Для еквівалентів визначають ті ж самі величини, що й для речовин. З урахуванням того, що для частинки X число еквівалентності z означає еквівалент ¹⁄_zX, відповідні формули виписати легко.

• Молярна маса еквівалентів:

$M({\frac {1}{z}}{\text{X}})={\frac {1}{z}}\cdot M({\text{X}})$

• Кількість речовини еквівалентів:

$n({\frac {1}{z}}{\text{X}})=z\cdot n({\text{X}})$

Завдяки такому вигляду співвідношень, масу речовини обчислюють однаково як за молярними величинами, так і за еквівалентними:

$m({\text{X}})=n({\text{X}})\cdot M({\text{X}})=n({\frac {1}{z}}{\text{X}})\cdot M({\frac {1}{z}}{\text{X}})$

Інколи для еквівалентних величин використовують синонімічні позначення M_екв(X), n_екв(X).

Звичайне правило обчислення молекулярної маси речовини X, яка складається з аніону An та Kt, та той факт, що еквіваленти з'єднуються в кількісному співвідношенні 1:1, дають таку формулу:

$M({\frac {1}{z({\text{X}})}}{\text{X}})=M({\frac {1}{z({\text{An}})}}{\text{An}})+M({\frac {1}{z({\text{Kt}})}}{\text{Kt}})$

Із поняття кількості речовини еквівалентів можна вивести молярну концентрацію еквівалентів (застаріле «нормальність»):

$N={\frac {n({\frac {1}{z}}{\text{X}})}{V}}$,

де V — об'єм розчину.

Див. також

• Закон еквівалентів

Посилання

• IUPAC Gold Book. Архів оригіналу за 4 листопада 2014. Процитовано 4 листопада 2014. (англ.)
• ЕКВІВАЛЕНТ ХІМІЧНИЙ [Архівовано 10 березня 2016 у Wayback Machine.] // Фармацевтична енциклопедія

Джерела

• Эквивалент химический // Химическая энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. Н. С. Зефиров. — М. : Большая Рос. энцикл., 1998. — Т. 5 : Триптофан — Ятрохимия. — Стб. 802. — Библиогр. в конце ст. — ISBN 5-85270-310-9.(рос.)
• Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.