ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И МОЛЯРНЫХ МАСС ЭКВИВАЛЕНТОВ ВЕЩЕСТВ

1. Относительной молекулярной массой (далее «молекулярная масса») М_r называется отношение массы молекулы к 1/12 часть массы атома самого легкого природного изотопа углерода ¹²С. Таким образом, относительная молекулярная масса — величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы изотопа ¹²С, т.е., величина  безразмерная. Численно молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов, образующих данное вещество.

В химических расчетах в качестве основной единицы количества вещества используется моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов, радикалов, электронов т т.д.), сколько содержится атомов в 0, 012 кг изотопа ¹²С. Число структурных элементов, содержащихся в 1 моль любого вещества, называется числом Авогадро (N_A). Его приближенное значение составляет 6,02 * 10²³ моль^-1. Количество вещества n (моль) можно найти по формуле: n = m/M,                                              (1)

где m – масса вещества, г;

М – молярная масса вещества, г/моль.

Молярная масса вещества – это масса одного моля вещества, выражается в г/моль или кг/моль. Численно молрная масса вещества равна его относительной молекулярной массе.

Молекулярные массы газообразных веществ, а также легколетучих жидкостей можно определять, пользуясь законом Авогадро. Согласно последнему, в равных объемах всех газов при одинаковых условиях (температура и давление) содержится одинаковое число молекул. Возьмем равные объемы (например, 1 л) двух различных газов; тогда

m₁ = N₁ · M_r1     и     m₂ = N₂ · M_r2,

где m_i – масса взятого объема газа;

N_i – число молекул, содержащееся во взятом объеме;

М_ri – молекулярная масса газа.

Индексы 1 и 2 относятся к первому и второму газам.

По закону Авогадро  N₁ = N_2,

Следовательно,                                    (2)

Отношение массы одного газа к массе такого же объема другого газа (при одинаковых р и t) называется относительной плотностью первого газа по второму, т. е.

                                                           (3)

Принимая во внимание (2) и (3), полуаем:     

M_r1 = M_r2 · D                                                              (4)

Аналогично   M₁ = M₂ · D                                   (5)

Молекулярную массу какого-либо газа можно рассчитать и в том случае, если известна его относительная плотность по воздуху:     М = 29 · D_возд, где 29 — средняя молекулярная масса воздуха.

Таким образом, экспериментальное определение молекулярной массы этим способом сводится к определению относительной плотности данного вещества по водороду, воздуху или другому стандартному газу. Например, масса 1 л азота при н.у. равна 1,25 г, а масса 1 л водорода – 0,09 г. Следовательно относительная плотность азота по водороду:

D_н2 = 1,25/0,09 = 14, откуда M_{r N2} = 2 _* 14 = 28.

Определить молярную массу, а, следовательно, и относительную молекулярную массу газа можно, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:

pV = mRT/M,                                                            (6)

где V – объем газа при данных условиях, л; р – атмосферное давление, кПа; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль*К).

2. Можно дать несколько определений понятия эквивалента. Например, для кислотно-основных реакций эквивалент (Э) соответствует количеству вещества, взаимодействующему с 1 г атомов водорода или замещающему 1 г атомов водорода в химических реакциях. Э(Н) = 1.

Более широкое определение:

Эквивалент (Э) -это реальная или условная единица, соответствующая одному иону водорода в кислотно-основных или ионных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях (безразмерная величина).

Моль эквивалентов (n_э)– количество вещества, содержащее 6,02 ^. 10²³ эквивалентов (моль (экв)).

Фактор эквивалентности – величина обратная числу новых химических связей, устанавливаемых одной частицей вещества в ходе химической реакции (определяет, какая часть моля данного вещества взаимодействует с 1 г атомов Н или с 1 моль(экв) любого другого вещества).

Молярная масса эквивалентов (М_э) – масса одного моля эквивалентов (г/моль(экв)).

Молярный объем эквивалентов (V_э) – объем одного моля эквивалентов (л/моль(экв)).

Для расчета молярной массы эквивалентов используют следующие формулы:

- М_э простого вещества –отношение молярной массы атомов вещества (А) к валентности (В):        М_э = А/В;

- М_э элемента– отношение молярной массы атомов элемента к валентности: М_э = А/В;

М_э (кислоты) –отношение молярной массы вещества к основности:            М_э = М/n_{атомов Н};

М_э (основания) –отношение молярной массы вещества к кислотности:           М_э = М/n_{ОН-групп}.

При этом нужно помнить, что при образовании кислых или основных солей в химических реакциях проявляемая основность кислоты или кислотность основания равна, соответственно, числу атомов Н или числу ОН-групп, замещенных в ходе реакции.

М_э (соли) –отношение молярной массы вещества к произведению валентности металла на число его атомов:

М_э = М/(В_{атомов Ме} *n_{атомов Ме}).

В окислительно-восстановительных реакциях: М_э окислителя или восстановителя –отношение молярной массы окислителя или восстановителя к числу приобретенных или потерянных одной молекулой вещества электронов в ходе реакции, соответственно.

Закон эквивалентов:Вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам:

m₁/ m₂ = М_э1/ М_э2   или m₁/ М_э1 = m₂ / М_э2,                 

Для газообразных веществ:              V₁/V_э1 = V₂/V_э2          

Из закона эквивалентов следует, что количества моль эквивалентов (n_э) каждого из взаимодействующих и образующихся в реакции веществ, равны, так как

n_э = m/ М_э

или для газообразных веществ: n_э = V/V_э

При расчетах по закону эквивалентов составлять уравнения реакций не требуется. 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы:Определить молекулярную массу углекислого газа, определить молярную массу эквивалента цинка, магния или алюминия (по указанию преподавателя).

Оборудование и материалы:весы; аппарат Киппа; склянки Дрекселя; колба плоскодонная вместимостью 1л с пробкой; цилиндры емкостью 500 и 1000  мл; воронки стеклянные; установка для определения М_э; сушильный шкаф; бюксы.

Реактивы:мрамор; конц. серная кислота; 1-2 н. раствор соляной кислоты; вода дист., цинк мет.; магний мет.; алюминий мет.; растворысоляной кислоты (5%-ный, 15%-ный; 1 М).

Ход работы

Опыт 1. Определение молекулярной массы углекислого газа

Определение молекулярной массы углекислого газа производится при помощи установки, изображенной на рис. 3.1.

Углекислый газ, полученный при действии соляной кислоты на мрамор, из аппарата Киппа проходит через промывные склянки, наполненные водой и серной кислотой. В первой склянке он освобождается от хлористого водорода (из аппарата Киппа), во второй - высушивается. Очищенным и сухим газом наполняют колбу, которую затем взвешивают. Зная вес газа, его объем, температуру и давление, можно вычислить его молекулярную массу. Определение проводят следующим образом:

1. Взвесить колбу, закрытую резиновой пробкой; положение нижнего края пробки отметить специальным карандашом для надписей по стеклу.

2. Заполнить колбу углекислым газом для чего, трубку прибора опустить в колбу до дна, открыть кран аппарата Киппа и пропускать газ в колбу в течение 6  -  8 мин. Для постепенного заполнения колбы газом и его достаточной очистки необходимо установить такую скорость прохождения газа через промывные склянки, при которой можно считать пузырьки. Если газ будет поступать в колбу сильной струей, то это не только ухудшит очистку СО₂ от примесей, но и вызовет образование завихрений, в результате чего не будет происходить полного вытеснения воздуха.

3. После наполнения колбы СО₂ ее закрыть пробкой до метки и взвесить.

4.Чтобы быть уверенным в том, что колба заполнена углекислым газом, еще  раз в течение 5 мин пропускать газ в колбу. Затем ее снова взвесить. Если результаты двух взвешиваний колбы с углекислым газом одинаковы, то наполнение и  взвешивание прекратить. Если же наблюдается различие в массе, то указанную операцию повторить до получения постоянной массы.

5. Записать показания барометра и термометра, находящихся в лаборатории.

6. Определить объем углекислого газа при данных условиях; для этого в колбу налить воду до черты, отмеченной на горле колбы, и затем измерить объем воды цилиндром. Объем воды равен объему углекислого газа.