Лабораторная работа 1.Определение относительной молекулярной массы оксида углерода (IV)
Закон Авогадро: В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится равное число молекул.
Следствие первое: При одинаковых условиях 1 моль любого газообразного вещества занимает один и тот же объем.
Объем, который занимает 6,02.1023 молекул любого газообразного вещества при нормальных условиях, называется молярным объемом газа (Vm). Vm - это отношение объема порции вещества V(х) к его количеству вещества n(х) в этой порции (м3/моль; л/моль):
Vm = V(х) / n(х), Vm = 22,4 л/моль
Объем, который занимает при н.у. 6,02.1023 молекул газа равен отношению молярной массы газа M к плотности данного газа с (масса 1 л данного газа в граммах):
V = M / с
Таким образом, плотность любого газа при н.у. можно рассчитать по формуле:
с = M / Vm,
где М - молярная масса газа; Vm - молярный объем газа.
Второе следствие из закона Авогадро: Отношение масс (m1 и m2) равных объемов различных газов (V1=V2) при одинаковых условиях равно отношению их молярных или относительных молекулярных масс:
m1 / m2 = M1 / M2 или m1 / m2 = Mr1 / Mr2
Итак, относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных или относительных молекулярных масс:
с1 / с2 = D, D = M1 / M2 или D = Mr1 / Mr2
Относительную плотность газа по водороду рассчитывают по формуле:
D(Н2) = M1 / М(Н2) или D(Н2) = M1 / 2
M1 = молярная масса газа, М(Н2) = молярная масса водорода
Относительную плотность газа по воздуху рассчитывают по формуле:
D(в) = M1 / М(в) или D(в) = M1 / 29
M1 = молярная масса газа, М(в) = молярная масса воздуха
Количество вещества. Моль.
За единицу измерений количества вещества принимают порцию («пакет») из определенного и всегда одинакового числа частиц, достаточно большую, чтобы ее легко можно было взвесить. Поэтому количество вещества измеряют «пакетами» по 6,022.1023 частиц. Такой «пакет» представляет собой единицу количество вещества, называемую «моль».
Физическая величина, показывающая, сколько частиц содержится в одном моле вещества, называется постоянной Авогадро и обозначается NA. Таким образом, моль - порция из {NA} частиц.
1кмоль = 1000 моль, 1ммоль = 0,001моль. Количество вещества определяется выражением
n(х) = N(x) / NA, n(х) = m(x) / M(x) , n(х) = V(x) / Vm
где n(х) - количество вещества, х - частица вещества, N(x) - число структурных единиц (частиц - атомов, молекул, ионов и т.д.) в данной порции вещества, NA - число Авогадро, m(x) - масса вещества, M(x) - молярная масса вещества, V(x) - объем вещества, Vm - молярный объем вещества, л/моль.
Числу Авогадро приписывают размерность NA = 6,022.1023 моль-1.
Например, если масса одного атома углерода составляет 19,93.10-27 кг, тогда число атомов в 0,012 кг (12 г.) углерода, определяемое из пропорции
1 атом (С) = 19,93.10-27 кг.
х атомов (С) 0,012 кг/моль,
равно: х = 6,02.1023 моль-1.
В общем виде можно записать
NA = М(х) / mа,
где М -молярная масса вещества (х) (г/моль, кг/моль), mа - масса одного атома или одной молекулы (кг).
Исходя из М(х) и NA, можно рассчитать абсолютные массы атомов или молекул: mа = М(х) / NA
Аr - показывает, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 части массы атома углерода (С12): Аr (Э) = mа (Э) / (1/12) . mа (С), где (1/12) . mа (С) = а.е.м., mа (С) = 19,93.10-27 кг, тогда 1а.е.м. = 1/12. 19,93.10-27 кг = 1,66.10-27 кг = 1,66.10-24 г.
Отсюда получим выражение:
Аr (Э) = mа (Э) / 1 а.е.м. или Аr (Э) = mа (Э) / 1,66.10-27 кг
Например, Аr (О) = mа (О) / 1,66.10-27 кг = 26,67.10-27 кг/1,66.10-27 кг = 16.
Из пропорции
1 а.е.м 1,66.10-27 кг
х, а.е.м = 1 кг
получим: х = 6,02.1026 а.е.м.
Если теперь массу выразить в граммах, то из пропорции
1 а.е.м 1,66.10-24 г
х, а.е.м = 1 г
получим: х = 6,02.1023 а.е.м.
За атомную единицу массы (а. е. м.) принята 1/12 массы атома 12С. В этих единицах выражены массы атомов химических элементов, приведенные в таблице Д.И.Менделеева без указания единицы и названы «относительны-ми атомными массами». «Относительными» по отношению к атомной единице массы.
Экспериментальная часть работы
Ход работы. Вымытую и высушенную колбу емкостью 250 мл с меткой и подобранной к ней пробкой взвесить на технических весах (m1). Затем наполнить колбу оксидом углерода из аппарата Киппа, опустив газоотводную трубку до дна колбы. Закрыть колбу пробкой до уровня метки и вновь взвесить(m2). После этого определить объём колбы (V), наполнив её водой до метки и затем перелив в мерный цилиндр.
Отметить и записать показания термометра и барометра.
Температура - Т, К
Давление - Р, кПа.
Обработка результатов
1. Привести объём воздуха в колбе (V) к нормальным условиям, используя объединенное уравнение Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
Ро Vо = PV , (1)
То Т
где То = 273 К, Ро = 101,325 кПа, V - объём колбы, Р - атмосферное давление (показание барометра), Т - комнатная температура (показание термометра).
2.Вычислить массу воздуха m3 в колбе, зная, что масса 1 л воздухапри н.у. равна 1,29 г.
3. Вычислить массу оксида углерода (IV) m4 в колбе:
m4 = m2 - (m1 - m3) (2)
4. Вычислить плотность оксида углерода (IV) по воздуху:
D(возд) = m4 / m3
5. Вычислить относительную молекулярную массу оксида углерод (IV) по формуле:
Мr(CO2) =29 .D(возд)
6.Вычислить относительную ошибку опыта в процентах по формуле:
процент ошибки = Мr*- Мr, Мr* = 44, молекулярная масса
Мr*
1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент
Э(H3РO4) = H3РO4, Э(NaОН) = NaОН, Э(NaН2РO4) = NaН2РO4.
H3РO4 + 2NaОН = Na2НРO4 + 2H2O,
записав эту реакцию на 1 моль NaОН получим:
1/2H3РO4 + NaОН = 1/2Na2НРO4 + H2O
z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1
1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент
Э(H3РO4) = 1/2H3РO4, Э(NaОН) = NaОН, Э(Na2НРO4) = 1/2Na2НРO4
3) H3РO4 + 3NaОН = Na3РO4 + 3H2O,
записав эту реакцию на 1 моль NaОН получим:
1/3H3РO4 + NaОН = 1/3Na3РO4 + H2O
z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1
1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент
Э(H3РO4) = 1/3H3РO4, Э(NaОН) = NaОН, Э(Na3РO4) = 1/3Na3РO4
Таким образом, для кислот эквивалентное число z равно числу замещаемых в реакции ионов водорода.
Определим теперь эквивалент основания в реакции обмена:
1) Fe(ОН)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O
или на 1 моль HCl: 1/3Fe(ОН)3 + HCl = 1/3FeCl3 + H2O
z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1
1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент
Таким образом, для оснований эквивалентное число z равно числу замещаемых гидроксид-ионов.
Если взаимодействуют соли
FeCl3 + 3AgNO3 = 3AgCl + Fe(NO3)3 ,
то их эквиваленты можно определить, записав реакцию на 1 моль AgNO3
1/3FeCl3 + AgNO3 = AgCl + 1/3Fe(NO3)3
z=3, fэкв =1/3 z=1, fэкв =1 z=1, fэкв =1 z=3, fэкв =1/3
1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент
Отсюда следует:
Э(FeCl3) =1/3FeCl3, М(Э(FeCl3)) = М(1/3FeCl3) = 162,5/3 = 54,17 г/моль.
Э(AgNO3) = AgNO3, М(Э(AgNO3)) = М(AgNO3) = 170 г/моль.
Э(AgCl ) = AgCl, М(Э(AgCl )) = М(AgCl) = 143,5 г/моль
Э(Fe(NO3)3) = 1/3Fe(NO3)3, М(Э(Fe(NO3)3)) = М(1/3Fe(NO3)3) = 80,67 г/моль.
Таким образом, для соли эквивалентное число z равно произведению количества замещаемых ионов металла на заряд катиона или произведению количества замещаемых анионов кислотных остатков на их заряд.
Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента (г/моль), или эквивалентной массой. Молярная масса эквивалента вещества (х) обозначают так:
М(Э(х)) = М((1/z)х)
Таким образом, молярная масса эквивалента вещества всегда в z раз меньше молярной массы этого вещества:
М(Э(Х)) = М((1/z)х) = М(х) / z
Объем одного моля эквивалентов газообразного вещества называют эквивалентным объемом или молярным объемом эквивалента (V(1/z Х):
н((1/z)х) = V(х) / V((1/z)х) или V((1/z)х) = V(х) / н((1/z)х), л/моль, м3/моль.
Молярный объем (Vm) и эквивалентный объем (V((1/z)х)) связаны соотношением: V((1/z)х) = Vm / z..
Эквивалентное число в окислительно-восстановительных реакциях определяется числом переносимых от одной формульной единицы восстановителя к одной формульной единице окислителя электронов:
3Cu + 2HNО3 + 6HNО3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
NО3- + 4H+ + 3з = NO + 2H2O, M(Э(HNО3)) = 1/3 M(HNО3)
Cu - 2з = Cu2+ , M(Э(Cu )) = 1/2 M(Cu)
В реакции восстановления водорода запишем полуреакцию
2Н+ + 2з = Н20
на 1 моль ионов водорода
Н+ + 1з = 1/2Н2
Тогда получим:
Э(Н+) = Н+, М(Э(Н+)) = М((Н+) = 1 г/моль, Э(Н2) =1/2Н2, М(Э(Н2)) =1/2М(Н2).
Поэтому 1 моль эквивалентов водорода при н.у. занимает объем:
Vm (Э(Н2)) = 22,4 : 2 = 11,2 (л/моль)
Аналогично для полуреакции
О2 + 4з = 2О-2
получим:
Э(О2) = 1/4О2, М(Э(О2)) = 1/4М(О2) = 32/4 = 8 г/моль.
Поэтому 1 моль эквивалентов кислорода при н.у. занимает объем
Vm(Э(О2)) = 22,4 : 4 = 5,6 (л/моль).
И так, для любого газообразного вещества х при н.у. можно записать:
Vm (Э(х)) = Vm ((1/z)х) = Vm (х)/z
Эквивалентное число z оксида в реакции обмена равно произведению числа молей атомных частиц на его степень окисления в оксиде. Например, для реакции
СаО + 2НСl = CaCl2 + H2O
получим:
1/2 СаО + НСl = 1/2CaCl2 + 1/2H2O
z=2, fэкв =1/2 z=1, fэкв =1 z=2, fэкв =1/2 z=2, fэкв =1/2
1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент 1 эквивалент
Отсюда следует:
М(1/2 СаО) = 56 г/моль : 2 = 28 г/моль, М(НСl) = 36,5 г/моль : 1 = 36,5 г/моль, М(1/2 CaCl2) = 111 г/моль : 2 = 55,5 г/моль, М(1/2 H2O) = 9 г/моль,
М(1/2 Са+2) = 40 г/моль : 2 = 20 г/моль.
Закон эквивалентов
Массы веществ, вступающих в реакцию или образующихся в результате реакции (m1 и m2), пропорциональны их молярным массам эквивалентов (М(Э(х1)) и М(Э(х2))):
т1 / М(Э(х1)) = m2 / М(Э(х2))
Аналогично для газообразных веществ закон эквивалентов можно записать так: V1 / V((1/z)х1)= V2 / V((1/z)х2)
Экспериментальная часть
Ход работы. С помощью преподавателя собрать прибор, состоящий из прикрепленных к штативу и соединенных между собой резиновой трубкой бюретки и воронки. Бюретку заполнить водой. Воду в бюретке и воронке установить на одинаковом уровне. Отмерить в пробирку 2 мл разбавленной серной или соляной кислоты. Затем взвешенный кусочек цинка (m1) расположить на внутренней стенке пробирки с кислотой, после чего пробирку плотно закрыть пробкой с газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки соединить с бюреткой.
Отметить и записать в тетрадь уровень воды в бюретке ( h1). Затем встряхнуть кусочек цинка в кислоту. По окончании реакции и после остывания пробирки снова привести воду в бюретке и воронке к одинаковому уровню. Затем отметить и записать уровень воды в бюретке (h2), показания термометра (T, K ) и барометра (Р, кПа).
Форма записи наблюдений
Масса цинка - m1, г
Температура - T, K, (показание термометра)
Атмосферное давление - Р, кПа (показание барометра)
Давление насыщенного водяного пара - Р(H2O), кПа (табл.)
Уровень воды в бюретке до реакции - h1, мл
Уровень воды в бюретке после окончания реакции - h2, мл
Обработка результатов
1. Вычислить объем водорода, вытесненного цинком по формуле:
V(H2) = h2 - h1