Определение молярной массы эквивалента металла

Лабораторная работа 1
Определение молярной массы эквивалента металла
Цель работы - закрепить знания основных законов химии: закона
сохранения массы, закона постоянства состава, закона эквивалентов,
газовых законов; научиться приемам взвешивания научиться измерению
объемов жидкостей и газов с помощью калиброванной химической посуды.
1. Теоретическое введение
Эквивалент. Эквивалент – это реальная или условная частица
вещества, равноценная одному иону водорода в обменных реакциях или
одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Одному иону водорода или одному электрону в реакции может
соответствовать один атом или одна молекула вещества (реальные
частицы), или доля атома, доля молекулы (условные частицы).
Величину, показывающую, какая доля атома или молекулы
соответствует эквиваленту, называют фактором эквивалентности f.
Число, показывающее, сколько эквивалентов условно содержится в одном
атоме или в одной молекуле данного вещества, называют эквивалентным
числом z .
Масса 1 моль эквивалента вещества называется молярной массой
эквивалента Мэкв. Взаимосвязь между молярной массой вещества М и
молярной массой эквивалента вещества выражается соотношением: 𝑴экв =
𝑴
.
𝒛
Количество вещества эквивалента можно вычислить по формуле:
𝑚
𝑛экв =
.
𝑀экв
Эквиваленты металлов, водорода и кислорода. Реакции с
участием простых веществ – окислительно-восстановительные.
Одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях с
участием водорода соответствует один атом водорода, или 1/2 молекулы Н2
(каждый атом водорода отдает или присоединяет один электрон, молекула
Н2 – 2); с участием кислорода – 1/4 молекулы О2 (атом кислорода
присоединяет два электрона молекула О2 – 4), алюминия – 1/3 атома
алюминия (атом алюминия отдает три электрона). Эквивалентами будут
реальная частица  атом Н и условные частицы  ½ атома О и 1/3 атома Al.
Н2
Одно и то же простое вещество может характеризоваться
несколькими значениями эквивалентного числа, если в реакции с его
участием образуются соединения, в которых элемент проявляет разные
степени окисления. Так, эквивалентное число z железа в реакции с соляной
кислотой равно 2, а в реакции с хлором – 3; молярная масса эквивалента
Мэкв(Fe) соответственно равна 28 и 18,7 г/моль.
При выполнении стехиометрических расчетов с участием
газообразных веществ используют эквивалентный объём Vэкв − объём
одного моля эквивалента газообразного вещества. Эквивалентный объём
меньше молярного объёма газа в z раз:
𝑉m
𝑉экв =
.
𝑧
Эквивалентные объёмы водорода и кислорода, измеренные при н.у.:
Vэкв(Н2) = 22,4 : 2 = 11,2 л/моль,
Vэкв(О2) = 22,4 : 4 = 5,6 л/моль.
Для расчета количества вещества эквивалента газа удобно использовать его
объём:
𝑉
𝑛экв = 𝑉 .
экв
Закон эквивалентов. Все вещества реагируют между собой по
закону эквивалентов. Формулировка этого закона: массы реагирующих
веществ относятся так же, как молярные массы их эквивалентов
𝑚(A) 𝑀экв (A)
=
.
𝑚(B) 𝑀экв (B)
Преобразуем это соотношение:
𝑚(A)
𝑚(B)
=
.
𝑀экв (A) 𝑀экв (B)
Приходим ко второй формулировке закона эквивалентов:
количества вещества эквивалента для всех веществ, участвующих в
реакции, одинаковы.
𝑛экв (A) = 𝑛экв (B).
2. Приборы и реактивы
В работе используют: эвдиометр, склянку Оствальда, электронные
весы, термометр, барометр, мерный цилиндр, спиртовку.
Реактивы: навеска определяемого металла и раствор соляной
кислоты.
3. Порядок проведения эксперимента. Указания по технике
безопасности
Опыт проводится на приборе, который называется эвдиометром. Его
основной частью является измерительная бюретка – вертикальная
стеклянная трубка, на которую нанесены деления в мл и долях мл.
Измерительная бюретка соединена гибким шлангом с уравнительным
сосудом, который вместе с бюреткой заполняется водой. Бюретка
герметично соединяется со склянкой Оствальда – двухколенной пробиркой
со шлифом.
3.1. Не присоединяя склянку Оствальда, с помощью уравнительного
сосуда доведите уровень воды в бюретке примерно до нулевой отметки (по
нижнему мениску). При этом положение уравнительного сосуда должно
быть таким, чтобы уровень жидкости находился в его нижней части.
3.2. Образец металла, полученный от лаборанта или преподавателя,
взвесьте на кусочке плотной бумаги на электронных весах и поместите в
одно из колен склянки Оствальда. Отмерив с помощью мерного цилиндра
10-12 мл раствора соляной кислоты, аккуратно перелейте его в другое
колено склянки Оствальда, повернув ее соответствующим образом.
3.3. Присоедините склянку Оствальда к эвдиометру и проверьте
прибор на герметичность. Для этого опустите уравнительный сосуд так,
чтобы уровень воды в нем был ниже уровня в бюретке на 15-20 см, и в
таком положении укрепите его. При опускании уравнительного сосуда
уровень воды в бюретке несколько понизится. Если в течение 1 – 2 минут
дальнейшего понижения не произойдет, прибор можно считать
герметичным. Если уровень воды после опускания уравнительного сосуда
будет падать постоянно, прибор негерметичен, и необходимо устранить
причину негерметичности.
3.4. Если прибор герметичен, установите одинаковые уровни
жидкости в бюретке и уравнительном сосуде. Не надо добиваться, чтобы
уровень воды в бюретке в начале эксперимента находился строго на
нулевой отметке, он может быть несколько ниже.
Занесите в таблицу начальное значение уровня жидкости в бюретке
(по нижнему краю мениска) с точностью, лимитируемой ценой деления
бюретки.
3.5. Наклоните склянку Оствальда, перелив кислоту в то колено, в
котором находится металл. Наблюдайте растворение металла и выделение
водорода, который вытесняет из бюретки воду. Уравнительный сосуд при
этом желательно опустить и во время опыта следить за тем, чтобы уровни
воды в нем и в бюретке не слишком сильно различались (тогда давление
газа внутри прибора близко к атмосферному).
Если реакция идет медленно, подогрейте реакционную смесь
пламенем спиртовки, равномерно обогревая колено склянки Оствальда. Не
допускайте бурного вскипания раствора кислоты. Как только водород
начнет интенсивно выделяться, нагрев прекратите. После окончания
реакции подождите несколько минут, пока температура раствора не
сравняется с комнатной.
3.6. Приведите давление газа внутри эвдиометра к атмосферному.
Опустите уравнительный сосуд так, чтобы уровень жидкости в сосуде и
измерительной бюретке совпали (тогда давление газа в эвдиометре равно
атмосферному), и определите положение уровня воды в бюретке.
3.7. С помощью термометра и барометра зафиксируйте температуру
и давление, при которых проводился эксперимент.
4. Обработка результатов эксперимента
4.1. Результаты эксперимента внесите в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты эксперимента
Результаты эксперимента
Масса металла, г
Начальный уровень воды в бюретке, мл
Конечный уровень воды в бюретке, мл
Объем выделившегося водорода, мл и м3
Температура, t, С и Т, К
Атмосферное давление Р, мм рт. ст. и Па
Давление паров воды при данной температуре 𝑃Н2 О , Па
(см. приложение)
Парциальное давление водорода, 𝑃H2 , Па
4.2. В условиях опыта водород собирается над водой, поэтому
общее давление газа в бюретке равно сумме парциальных давлений
водорода и водяного пара. Вычислите парциальное давление водорода с
точностью до трех значащих цифр: PH2 = 𝑃 − 𝑃Н2 О .
4.3. Вычислите массу выделившегося водорода, используя
уравнение Клапейрона-Менделеева:
𝑚H2
𝑃Н2 𝑉Н2 =
𝑅𝑇.
𝑀H2
4.4. На основании закона эквивалентов рассчитайте молярную массу
эквивалента металла:
𝑚(металла)
𝑚(𝐻2 )
=
.
𝑀экв (металла) 𝑀экв (Н2 )
4.5. Приведите объем выделившегося водорода к нормальным
условиям, используя уравнение Клапейрона:
𝑃0 𝑉0 𝑃𝑉
=
.
𝑇0
𝑇
4.6. Рассчитайте молярную массу эквивалента металла, используя
значение эквивалентного объема водорода при н.у.:
𝑚(металла)
𝑉0 (H2 )
=
.
𝑀экв (металла) 𝑉экв (Н2 )
Результаты расчетов молярной массы эквивалента металла по
пунктам. 4.4. и 4.6. должны совпадать.
4.7. Подставляя различные значения эквивалентного числа z в
уравнение Mэкв = Mz, рассчитайте возможные молярные массы металла и
определите металл.
4.8. Рассчитайте абсолютную и относительную ошибки полученного
значения молярной массы эквивалента металла. Абсолютная ошибка равна
взятой по модулю разности между истинной и определенной Вами
величиной молярной массы эквивалента металла. Относительная ошибка
равна отношению абсолютной ошибки к истинному значению величины
молярной массы эквивалента металла (в %).
4.9. Напишите уравнение проведенной реакции.










5. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
название работы;
цель работы;
краткое теоретическое введение;
описание приборов и реактивов;
полученные экспериментальные данные;
проведенные вычисления;
расчет абсолютной и относительной ошибок эксперимента;
уравнение проведенной реакции;
выводы;
ответы на контрольные вопросы.
6. Контрольные вопросы
1. Какие условия называются нормальными? Приведите объем
азота к нормальным условиям, если при температуре 27 С и давлении 202,6
кПа азот занимает объем 10 л.
2. Почему при определении объема выделившегося водорода
необходимо совпадение уровней воды в бюретке и уравнительном сосуде?
3. Молярная масса эквивалента металла равна 20 г/моль. Определите
объем водорода (л, н.у.), который выделится при растворении этого
металла массой 5 г в соляной кислоте.
4. На окисление металла массой 2,7 г израсходовано 1,68 л (н.у.)
кислорода. Определите молярную массу эквивалента металла.
5. Рассчитайте число молей металла, число молей эквивалента и
число атомов металла, который Вы использовали в лабораторном
эксперименте.
Приложение
Давление паров воды при различных температурах
t, С
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
𝑃Н2 О , кПа
1,82
1,93
2,06
2,2
2,37
2,48
2,64
2,8
2,98
3,16
3,36
3,56
3,78