Эквивалент


Если в некоторой реакции два вещества в соответствии с уравнением взаимодействуют в равных количествах и, следовательно, в массовом отношении, пропорциональном их молярным массам, то можно утверждать, что реагирующие количества и массы этих веществ равноценны — т.е. эквивалентны.

Пример. В реакции Fe + S = FeS соотношение реагирующих количеств железа и серы составляет 1 : 1, массовое соотношение равно 55,85 : 32,07. Т.е. если в реакцию вступает 0,5 моль Fe, то с этим количеством железа прореагирует такоеже количество серы — 0,5 моль S; и соответственно если в реакцию вступает 55,85 г/моль · 0,5 моль = 27,925 г железа, то эта масса железа прореагирует с эквивалентной ей массой серы 32,07 г/моль · 0,5 моль = 16,035 г S. Очевидно, что в реакции образования двухэлементного соединения FeS из простых веществ, стехиометрическая валентность атомов железа и серы одинакова. Если в подобных реакциях атомы элементов проявляют различную валентность, то становится необходимым ввести фактор эквивалентности — feq, поскольку количества реагирующих веществ уже не будут равными, а массы этих веществ уже не будут пропорциональны их молярным массам.

Фактор эквивалентности feq вещества — это величина, показывающая, какая часть единицы вещества (молекула, ион), в данной химической реакции, соответствует одному эквиваленту:

feq = 1 / z

Для одного и того же вещества, в различных химических реакциях, фактор эквивалентности может быть разным.
При определении фактора эквивалентности (всегда feq ≤ 1) и эквивалентного числа (всегда feq ≥ 1) учитываются следующие характеристики формульных частиц и химических реакций:

  • стехиометрическая валентность;
  • положительный и отрицательный заряд ионов (ионная валентность);
  • протоны (катионы водорода) как носители положительного элементарного заряда;
  • электроны как носители элементарного отрицательного заряда;
  • степень окисления.

В обменных реакциях число z отвечает сумме зарядов ионов, которыми обменивается с данным веществом другой реагент.

Пример.

2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2O

  • z(Al(OH)3) = 1 + 1 + 1 = 3, число ОН1- групп учавствующих в реакции;
  • feq(Al(OH)3) = 1/3; z(H2SO4) = 1 + 1 = 2;
  • количество H+ участвующих в реакции; feq(H2SO4) = 1/2;
  • z(Al2(SO4)3) = 3 + 3 = 2 + 2 + 2 = 6; где 3 и 2 заряды ионов Al3+ и SO42-; feq(Al2(SO4)3) = 1/6;
  • z(H2O) = 1; т.к. молекула воды образована ионами H+ и ОН; feq(H2O) = 1/1.

А вот например в этой реакции:

NaOH + H2SO4 = NaHSO4 + H2O

как видите, только один протон в молекуле серной кислоты принимает участие в реакции, поэтому z для серной кислоты в этой реакции равно 1.

В окислительно-восстановительных реакциях z окислителя (восстановителя) равно числу электронов которое принимает (отдает) одна формульная единица окислителя (восстановителя).

Пример.

10KCl + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 6K2SO4 + 5Cl2 + 8H2O

MnO4 + 5e → Mn2+; z(MnO4) = z(Mn2+) = 5

2Cl — 2e → Cl2; z(Cl) = 1, z(Cl2) = 2

Как видно, фактор эквивалентности вещества обозначает долю формульной единицы вещества (или его количества), которая принимает участие в единичном акте химической реакции — т.е. в единичной перегруппировке атома или (и) электрона. Например для MnO4 1/5 является той частью этой частицы, которая принимает 1 электрон, а вот для Cl — фактор эквивалентности 1/1 = 1 т.е. сам ион хлора принимает участие в реакции перегруппировки одного электрона — он отдает электрон. В первом случае, говоря о доли, части группы MnO4, имеется в виду условная ее часть, т.к. MnO4 нельзя разделять на части практически, ибо в таком случае эта группа уже не будет обладать своими химическим исвойствами. Cl — напротив, представляет собой реальную частицу, ион.

Эквивалент — это реальная или условная частица, которая в химических реакциях способна принимать или отдавать единичный положительный (протон) или единичный отрицательный (электрон) заряд.

 
Теперь становится ясной суть закона эквивалентов: элементарный акт химической реакции состоит в перегруппировке и обмене атомами и электонами сопровождающийся изменением зарядов атомов, доля или часть формульной частицы вещества учавствующая в одном таком элементарном акте и называется эквивалентом, поэтому один эквивалент одного вещества будет взаимодействовать только с одним эквивалентом другого вещества (или того же самого вещества в реакциях разложения и диспропорционирования) и в результате образуется один эквивалент нового вещества или веществ. Закон эквивалентов гласит:

вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах

Этот закон вывели немецкие химики Винцель и Рихтер в 1793 г.
В макромасштабе реакции протекают как взаимодействие между различными количествами веществ, в большинстве случаев не равными друг другу. А вот

эквивалентные количества вещества — всегда одинаковы в конкретной реакции

neq = ν / feq

Количество эквивалентов вещества принято обозначать как neq моль.
Массу одного моль эквивалентов вещества назвают эквивалентная масса вещества, г/моль (или сокращенно г/моль.)

Meq = feq * M

Между величинами: масса вещества, количество эквивалентов и эквивалентная масса действительно такое соотношение:

m = neq * Meq

Обратите внимание (студенты и учителя) на ошибку, которую часто допускают составители условий задач на тему Эквиваленты: «Найти эквивалент …» — на самом деле эквивалент не нужно находить, эквивалент — это реальная или условная частица обладающая определенным свойством (см. определение выше). Находить нужно одну из характеристик эквивалента: количество эквивалентов, эквивалентную массу вещества. В старой литературе можно встретить определения типа «Эквивалентом элемента называют такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает 1 моль атомов водорода в химических реакциях.» и «Эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с одним эквивалентом водорода или вообще с одним эквивалентом любого другого вещества.» — не будем анализировать логические ошибки и противоречия химических понятий в этих определениях (это можно сделать в пределах форума), но они ложны.
На самом деле в этих определениях «эквиваленту» того или иного вещества — отвечает как раз фактор эквивалентности вещества, т.е. какая часть от 1 моль вещества соответствует 1 моль эквивалентов этого вещества. В приведенной выше реакции окисления ионов хлора перманганат ионами, «эквивалент» перманганата калия равен 0,2 моль, а фактор эквивалентности 1/5 часть от целого (единицы) без размерности.

Комментарии запрещены.