Хімічний еквівалент

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

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.

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[ред.ред. код]

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. Менше з тим, 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.

Типи хімічного еквіваленту[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

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: HPO2–4 + Ca2+ = CaHPO4
z(Na2HPO4) = z(HPO2–4) = z(Ca2+) = z(CaHPO4) = 2
Хоча фосфат-аніон PO3–4 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 елементу або іону в речовині:

  • MgO
Речовина побудована з іонів Mg2+ та O2–, 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 HPO2–4 зберігається як єдине ціле, тому z(HPO2–4) = 2 = z(Na2HPO4). Але в реакції з твердим лугом чи концентрованим його розчином:
Na2HPO4 + NaOH = Na3PO4 + H2O
«зберігається» фрагмент Na2PO4 і відщеплюється катіон H+, тож z(Na2PO4) = 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(CO2–3) = z(CaCO3) = 2. Але це не єдиний можливий варіант. Розглянемо реакції:
CaCO3↓ + 2H+ = Ca2+ + CO2↑ + H2O
CaCO3↓ + H+ = Ca2+ + HCO3
В першій «нейтралізовуваний заряд» збігається із зарядом іонів і вищенаведена відповідь 2 правильна. У другій із 2 одиниць заряду іону CO2–3 нейтралізується лише одна, тому z(CO2–3) = z(CaCO3) = 1.
  • Na2O2
Речовина побудована з іонів Na+ та O2–2, їхні числа еквівалентності 1 і 2 відповідно. Угрупування O2–2 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 елементу в речовині несе найбільшу користь у випадку бінарних речовин з аніоном та катіоном простої будови.

Електрохімічний еквівалент[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

Для еквівалентів визначають ті ж самі величини, що й для речовин. З урахуванням того, що для частинки X число еквівалентності z означає еквівалент 1zX, 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 Mекв(X), nекв(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.

Закон еквівалентів[ред.ред. код]

Маси речовин, що входять до реакції та утворюються в ній, пропорційні їхнім молярним масам еквівалентів.

Є прямим вираженням того факту, що еквіваленти взаємодіють один з одним у кількісному співвідношенні 1:1.

Приклади використання[ред.ред. код]

Еквівалентні величини виявляються дуже зручними в розв'язанні певних типів розрахункових задач.

Задача 1. В оксиді якого елемента масова частка Оксигену складає 40%?

Розв'язок. Оксид містить аніони O2–, тому число еквівалентності Оксигену дорівнює 2 і Mекв(O) = M(O)/2 = 8 г/моль. Закон еквівалентів виражається пропорцією:

з 8 г Оксигену сполучаються Mекв(X) елемента X
із 40 г Оксигену сполучаються 60 г елемента X

Звідки визначаємо Mекв(X) = 12 г/моль. Оскільки M(X) = z(X)·Mекв(X), де z(X) — число еквівалентності елемента в оксиді (збігається з його валентністю), слід виконати перебір варіантів. Оформимо його таблицею:

z(X) 1 2 3 4 5 6 7 8
M(X), г/моль 12 24 36 48 60 72 84 96

Умові задовольняють дві відповіді: MgO, TiO2. Якби значущих цифр в числі 40% з умови було хоч на одну більше, вдалося б обрати одну відповідь із цих двох.

Задача 2. При дії надлишку розчину аргентум нітрату на розчин 1,000 г суміші хлоридів двох лужних металів, які належать до сусідніх періодів періодичної системи, утворюється 1,359 г осаду. Визначити якісний та кількісний склад суміші.

Розв'язок. Оскільки майже всі солі лужних металів розчинні у воді, осад складається із аргентум хлориду (молярна маса 143,4 г/моль), який утворюється за реакцією: Ag+ + Cl = AgCl↓. Число еквівалентності для всіх учасників реакції становить 1 (побудовані з однозарядних іонів). Закон еквівалентів дозволяє обчислити (середню) молярну масу еквівалентів суміші Mекв(сум):

143,4 г AgCl хімічно еквівалентні Mекв(сум) г суміші
1,359 г AgCl хімічно еквівалентні 1,000 г суміші

Звідси Mекв(сум) = 102,80 г/моль і (середня) молярна маса еквівалентів лужного металу складає Mекв(сум) – Mекв(Cl) = 102,80 – 35,45 = 67,35 (г/моль). Отже, атомна маса одного з металів має бути більша за 67,35, другого — менша. Оскільки ці метали належать до сусідніх періодів, відповідь однозначна: K та Rb. Тепер, позначивши кількості речовин n(KCl) та n(RbCl) і розв'язавши таку систему рівнянь:

 \begin{cases} n(\text{KCl}) + n(\text{RbCl}) = \frac{1,359}{143,4} \\ 74,6 \cdot n(\text{KCl}) + 121,0 \cdot n(\text{RbCl}) = 1,000 \end{cases}

отримуємо n(KCl)=3,162 ммоль, n(RbCl) = 6,315 ммоль. Масові частки хлоридів у суміші: 23,6% KCl та 76,4% RbCl.

Застарілі формулювання[ред.ред. код]

Еквівалент речовини — це така її кількість, що хімічно еквівалентна 1 моль атомів Гідрогену, ½ моль атомів Оксигену чи еквівалентній кількості будь-якої іншої речовини.

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.

Джерела[ред.ред. код]

  • Химическая энциклопедия: В 5 т./ Гл. ред. Н. С. Зефиров. Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — М.: Большая Рос. энцикл., 1998. — 783 с.: ил., табл. — Библиогр. в конце ст. — ISBN 5-85270-310-9. (рос.)
  • «IUPAC Gold Book». Процитовано 2014-11-04.  (англ.)