Якщо в реакції дві речовини відповідно до рівняння взаємодіють в рівних кількостях а, отже, в рівному масовому відношенні, пропорційному їх молярним масам, то можна стверджувати, що взаємодіючі кількості та маси цих речовин рівноцінні – тобто еквівалентні.
Приклад. В реакції Fe + S = FeS співвідношення реагуючих кількостей Феруму і Сульфуру становить 1 : 1, масове співвідношення дорівнює 55,85 : 32,07. Тобто якщо в реакцію вступає 0,5 моль Fe, то з цією кількістю Феруму прореагує така ж кількість Сульфуру – 0,5 моль S; і відповідно, якщо в реакцію вступає 55,85 г / моль·0,5 моль = 27,925 г заліза, то ця маса заліза прореагує з еквівалентною їй масою сірки 32,07 г / моль·0,5 моль = 16,035 г S. Очевидно, що в реакції утворення двоелементної речовини FeS з простих речовин, стехіометрична валентність атомів Феруму і Сульфуру однакова. Якщо в подібних реакціях атоми елементів проявляють різну валентність, то виникає необхідність ввести фактор еквівалентності – feq, оскільки кількості реагуючих речовин вже не будуть рівними, а маси цих речовин вже не будуть пропорційні їх молярним масам.
Фактор еквівалентності feq речовини – це величина, що показує, яка частина одиниці речовини (молекула, іон), в даній хімічній реакції, відповідає одному еквіваленту:
feq = 1 / z
Для однієї і тієї ж речовини, в різних хімічних реакціях, фактор еквівалентності може бути різним.
При визначенні фактора еквівалентності (завжди feq ≤ 1) та еквівалентного числа (завжди feq ≥ 1) враховуються такі характеристики формульних частинок і хімічних реакцій:
- стехіометрична валентність;
- позитивний і негативний заряд іонів (іонна валентність);
- протони (катіони водню) як носії позитивного елементарного заряду;
- електрони як носії елементарного негативного заряду;
- ступінь окислення.
В обмінних реакціях число z відповідає сумі зарядів іонів, якими обмінюється з даною речовиною інший реагент.
Приклад.
2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2O
- z(Al(OH)3) = 1 + 1 + 1 = 3, число ОН1- груп які приймають участь в реакції;
- feq(Al(OH)3) = 1/3;
- z (H2SO4) = 1 + 1 = 2;
- кількість H+ приймають участь у реакції; feq (H2SO4) = 1/2;
- z(Al2(SO4)3) = 3 + 3 = 2 + 2 + 2 = 6; де 3 і 2 заряди іонів Al3+ і SO42-; feq(Al2(SO4)3) = 1/6;
- z (H2O) = 1; тому молекула води утворена іонами H+ і ОН–; feq (H2 O) = 1/1.
А от наприклад в цій реакції:
NaOH + H2SO4 = NaHSO4 + H2O
як бачите, тільки один протон в молекулі сірчаної кислоти приймає участь в реакції, тому z для сірчаної кислоти в цій реакції дорівнює 1.
В окисно-відновних реакціях z окислювача (відновника) дорівнює числу електронів які приймає (віддає) одна формульна одиниця окислювача (відновника).
Приклад.
10KCl + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 6K2SO4 + 5Cl2 + 8H2O
MnO4– + 5e– → Mn2+; z (MnO4–) = z (Mn2+) = 5
2Cl– – 2e– → Cl2; z (Cl–) = 1, z (Cl2) = 2
Як бачимо, фактор еквівалентності речовини позначає частку формульної одиниці речовини (або його кількості), яка бере участь в одиничному акті хімічної реакції – тобто в одиничному перегрупуванні атома або (і) електрона. Наприклад для MnO4– 1/5 є тією частиною цієї частки, яка приймає 1 електрон, а от для Cl– – фактор еквівалентності 1 / 1 = 1 тобто сам іон хлору бере участь в реакції перегрупування одного електрона – він віддає електрон. У першому випадку, говорять про частку, частину групи MnO4–, мається на увазі умовна її частина, тому що MnO4– не можна розділяти на частини практично, бо в такому випадку ця група вже не буде мати притаманні їй хімічні властивості. Cl – – навпаки, являє собою реальну частку, іон.
Еквівалент – це реальна або умовна частка, яка в хімічних реакціях здатна приймати або віддавати одиничний позитивний (протон) або одиничний негативний (електрон) заряд.
Тепер стає зрозумілою суть закону еквівалентів: елементарний акт хімічної реакції полягає в перегрупуванні і обміні атомами і електронами, що супроводжується зміною зарядів атомів, часток або частин формульної частинки речовини які приймають участь в одному такому елементарному хімічному акті і називається еквівалентом, тому один еквівалент однієї речовини буде взаємодіяти тільки з одним еквівалентом іншої речовини (або тієї ж самої речовини в реакціях розкладання і диспропорціонування) і в результаті утворюється один еквівалент нової речовини або декількох речовин. Закон еквівалентів:
речовини реагують і утворюються в еквівалентних кількостях
Цей закон вивели німецькі хіміки Вінцель і Ріхтер в 1793 р
У макромасштабі реакції протікають як взаємодія між різними кількостями речовин, у більшості випадків не рівними одна одній.
еквівалентні кількості речовини – завжди однакові в певній хімічній реакції
neq = ν / feq
Кількість еквівалентів речовини прийнято позначати як neq моль еквівалент.
Масу одного моль еквівалентів речовини називають еквівалентна маса речовини, г/моль (або скорочено г/моль.)
M eq = feq * M
Між величинами: маса речовини, кількість еквівалентів та еквівалентна маса дійсно таке співвідношення:
m = neq * Meq