Глава 6. Описание лабораторных работ
Работа № 1. Определение эквивалента металла газометрическим методом
А. Теоретическое введение
Эквивалентом элемента называют такую его массу, которая без остатка взаимодействует с одной массовой частью (м.ч.) атомов водорода или с восемью м.ч. атомов кислорода или же замещает указанное количество водорода и кислорода в химических реакциях.
Из определения следует, что эквивалент водорода равен 1 м.ч. (или 1 г, в этом случае его называют грамм-эквивалентом), а эквивалент кислорода─ 8 м.ч. (8 г). Эквиваленты можно выразить через объемные единицы. В этом случае необходимо применить закон Авогадро: «В равных объемах различных газов или паров при одинаковых внешних условиях (температура и давление) содержится одинаковое количество молекул» и его следствия. Например, 1 моль любого газа при нормальных условиях (н.у.) содержит 6,02∙1023 молекул – число Авогадро (NА) и, как следствие, один моль любого газа (при н.у.) занимает объем 22,4 л. В связи с тем, что водород и кислород – газы, то в расчетах эквивалентов элементов можно сравнивать их количества не с массами эквивалентов этих газов, а с объемами их эквивалентов. Так как масса г-эквивалента водорода равна 1/2 массы моля водорода, а масса г-эквивалента кислорода равна 1/4 массы моля кислорода, следовательно, согласно закону Авогадро:
= 11,2 л
= 5,6 л.
Эквиваленты элементов (Fe, Zn, Ca, Cu и др.) рассчитываются по формуле
Э = А/В,
где «А» ─ атомная масса элемента, «В» ─ степень его окисления, т.е. его валентность. Например, г-эквивалент меди в оксиде меди CuO или в соли CuSO4 равен Э(Cu)= 
г.
Эквиваленты «сложных» веществ (оксидов, оснований, кислот, солей) рассчитываются следующим образом.
Эквивалент кислоты равен отношению молекулярной массы кислоты (М) к ее основности (т.е. числу атомов водорода, участвующих в данной реакции). Например, г-эквивалент серной кислоты (в том случае, если в реакции участвуют два атома водорода) рассчитывается по формуле
Эквивалент основания равен отношению молекулярной массы щелочи (М) к ее кислотности (т.е. числу групп ОН-, участвующих в данной реакции). Например, г-эквивалент гидроксида натрия рассчитывается по формуле
Эквивалент соли равен отношению молекулярной массы соли (М) к произведению числа атомов металла, входящих в состав соли, на его валентность. Например, г-эквивалент сульфата алюминия Al2(SO4)3 рассчитывается по формуле:
Эквиваленты можно определить, используя один из основных стехиометрических законов химии – закон эквивалентов, которому подчиняются все реагирующие между собой вещества. Как простые, так и сложные: «Все вещества реагируют друг с другом в эквивалентном количестве, то есть количества эквивалентов каждого из участников реакции равны между собой».
Для реакции, протекающей согласно уравнению
a ∙A + b ∙B = d ∙D + f ∙F,
закон эквивалентов запишется следующим образом:
Так как количество эквивалентов вещества n, содержащихся в определенной его массе, равно 
, то закон эквивалентов можно записать иначе: 
,
откуда следует, что массы реагирующих веществ пропорциональны их эквивалентам:
Для веществ, реагирующих в растворах, закон эквивалентов можно выразить формулой
,
где NA и NB – нормальные концентрации растворов веществ А и В, выраженные в г-экв/л; а VA и VB – объемы растворов, л
Б. Экспериментальная часть
Цель работы ─ изучение практической значимости закона эквивалентов для стехиометрических расчетов и определение с помощью газометрического метода эквивалента и атомной массы металла с известной валентностью.
Оборудование
Прибор для проведения эксперимента (рис. 6.1), включающий:
● «рабочую» (1) и «вспомогательную» (3) бюретки, заполненные водой и соединенные резиновым шлангом (сообщающиеся сосуды);
● двухколенную (2) пробирку, герметически присоединяемую к прибору во время эксперимента к «рабочей» бюретке;
● штатив (4) для крепления установки.
Рис. 6.1. Прибор для определения эквивалента
металла газометрическим методом
Последовательность выполнения
работы
1. Заполнить таблицу
| 1 | Навеска металла, г* | |
| 2 | Начальный уровень воды в рабочей бюретке V1, мл | |
| 3 | Уровень воды после растворения металла V2, мл | |
| 4 | Объем водорода, полученный в результате опыта V2-V1 = V (H2) | |
| 5 | Температура опыта, оС ** | |
| 6 | Атмосферное давление (по барометру) ратм , мм рт. ст.** | |
| 7 | Давление насыщенного водяного пара h при температуре опыта, мм рт. ст.** | |
| 8 | Давление водорода при температуре опыта р(Н2)= (р атм – h), мм рт. ст. | |
| 9 | Валентность (степень окисления) металла | II |
*Навеска исследуемого металла, масса которой определяется с точностью до 0,0001 г, выдается студентам лаборантом.
** Данные, соответствующие строкам 5-7, предоставляются преподавателем.
2. Перед началом проведения эксперимента, необходимо отсоединить двухколенную пробирку от основной бюретки, вылить содержимое пробирки (если оно имеется) в раковину и тщательно промыть двухколенную пробирку водопроводной водой.
3. Расположить рабочую и вспомогательную бюретки путем маневрирования их положения по высоте таким образом, чтобы уровень воды в основной бюретке был около нулевого значения.