Тема 1. Основні поняття хімії. Будова атома. Хімічний звʼязок

матеріал 8

Поняття еквівалента. Еквівалентна маса. Еквівалентний об`єм

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 8. Поняття еквівалента. Еквівалентна маса. Еквівалентний об`єм

Очікувані результати навчання

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими наукові факти [12 ПРО 4.1.1-3 П]

Мета уроку: познайомитися з поняттям хімічного еквіваленту речовини, навчитися визначати фактор еквівалентності речовини в залежності від типу хімічного перетворення, обчислювати еквівалентні маси та об’єми (для газу) різних сполук.

Очікувані результати для вчителя:

учні знайомі з поняттям хімічного еквіваленту, за розрахунковими формулами обчислюють еквівалентні маси та об’єми (для газів) різних речовин;
учні застосовують поняття еквіваленту для розв’язування розрахункових задач різних типів

Очікувані результати для учнівства:

знайомство з поняттями хімічного еквіваленту, еквівалентної маси та еквівалентного об’єму (для газів)
уміють обчислювати еквівалентну масу речовини, розуміють практичне значення понять еквіваленту в хімічних розрахунках

План уроку

Мотивація (4 хв.).
Поняття еквіваленту. Еквівалентна маса та еквівалентний об’єм (для газів) (20 хв.).
Практикуємось (18 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 4 хв.

Велика кількість хімічних процесів, які відбуваються у навколишньому світі, є досить складними перетвореннями: фотосинтез, ферментативне бродіння тощо.

Завдання 1. Пригадайте (перегляньте / здійсніть) хімічну реакцію, яка відбувається в процесі «гасіння» соди.

Складіть рівняння реакції в молекулярній та в йонній формах:

Який газ виділяється в процесі реакції?_______________________
А що буде з об’ємом виділеного газу, якщо узяти вдвічі більше соди? А якщо вдвічі більше кислоти?__________________________________________________
Чи можна визначити точну кількість реактантів необхідних для перетворення, щоб не залишилося «зайвого»?___________________________________________________

Можливість здійснення розрахунків кількостей реактантів та оцінка виходу продуктів таких реакції визначається правильністю складених хімічних рівнянь, а точніше, правильністю підбору в них коефіцієнтів. Дещо спрощує підхід до виконання таких розрахунків поняття еквіваленту, завдяки якому ми можемо не лише проводити реакції без втрат, але й робити розрахунки, що використовуються у фармацевтиці, металургії та навіть космічних технологіях.

2. Поняття еквіваленту. Еквівалентна маса та еквівалентний об’єм (для газів)

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 20 хв.

Пригадайте та дайте відповіді на питання:

Що таке молекула?
Що таке молярна маса?
Що такий молярний об’єм?
Які одиниці розмірності маси та об’єму в хімії ви знаєте?

Відповідно до закону сталості складу речовини взаємодіють одна з одною у деяких визначених кількісних співвідношеннях. Для характеристики величини мас сполук, що сполучаються одна з одною без залишку, введено поняття еквіваленту.

Еквівалент – реальна або умовна частинка речовини, яка в хімічних реакціях рівноцінна за хімічною дією одному катіону Гідрогену Н⁺ (або катіону гідронію Н₃О⁺), або гідроксид-аніону ОН‾ в кислотно-основних взаємодіях, а в окисно-відновних реакціях – одному відданому чи прийнятому електрону.

Число, обернене до числа катіонів Гідрогену Н⁺ чи гідроксид-аніонів ОН‾, що беруть участь в кислотно-основних взаємодіях, або до числа електронів, задіяних в окисно-відновних реакціях, називають фактором еквівалентності, f_екв.

Таблиця 1. Обчислення фактора еквівалентності різних частинок.

\begin{equation*} f_{екв}(R) = \frac{1}{|S(R)|}\end{equation*}

\begin{equation*} f_{\text{екв}}(R) = \frac{1}{S(R) \cdot N(R)}\end{equation*}

Частинка	Фактор еквівалентності	Приклад
Елемент, R	(1) $\begin{equation} f_{екв}(R) = \frac{1}{\|S(R)\|}\end{equation}$ S(R) – ступінь окиснення елемента R	fекв(Al в Al⁺³₂O₃)=1/3 fекв(Cu в Cu⁺¹₂O)=1/1=1
Прості речовини	(2) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(R) = \frac{1}{S(R) \cdot N(R)}\end{equation}$ S(R) – кількість хімічних зв’язків між атомами R в структурній частинці речовини N(R) – число атомів R в структурній частинці речовини	fекв(H2)= 1/1∙2=1/2 fекв(O2)= 1/2∙2=1/4 fекв(Cl2)= 1/1∙2=1/2
Оксиди	(3) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{оксид}) = \frac{1}{\|S(R)\| \cdot N(R)}\end{equation}$ S(R) – ступінь окиснення елемента R N(R) – число атомів / катіонів R в структурній частинці оксиду	fекв(Al⁺³₂O₃)=1/3∙2=1/6 fекв(Cu⁺¹₂O)=1/1∙2=1/2
Кислоти	(4) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{кислота}) = \frac{1}{N(H^+)}\end{equation}$ N(H⁺) – кількість катіонів Гідрогену Н⁺, які беруть участь в реакції	H₃PO₄ + 2KOH = K₂HPO₄ + 2H₂O fеквH₃PO₄=1/2
Основи	(5) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{основа}) = \frac{1}{N(OH^-)}\end{equation}$ N(H⁺) – кількість гідроксид-аніонів OH‾, які беруть участь в реакції	3HCl + Fe(OH)₃ = FeCl₃ + 3H₂O fекв(Fe(OH)₃)=1/3
Солі	(6) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{сіль}) = \frac{1}{S(R) \cdot N(R)}\end{equation}$ S(R) – ступінь окиснення катіону або аніону в формульній одиниці солі N(R) – число катіонів або аніонів у формульній одиниці солі	fекв(Al⁺³₂(SO4⏞-2)3)=1/+3∙2=1/-2∙3=1/6
Учасники окисно-відновних реакціях	(7) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{кислота}) = \frac{1}{N(e^-)}\end{equation}$ N(e‾) – кількість електронів e‾, що беруть участь у процесі окиснення або відновлення	2CuCl₂ + 4NaI = 2CuI + I₂ + 4NaCl Cu²⁺ + 2е‾ = Cu fекв(CuCl₂)=1/2 2I‾ – 2e‾ = I₂ fекв(I₂)=1/2

Для позначення еквівалента перед формулою речовини указують значення фактора еквівалентності:

еквівалент сульфатної кислоти в реакції повної нейтралізації -1/2H₂SO₄
еквівалент алюміній гідроксиду – 1/3Al(OH)₃
еквівалент кисню -1/4O₂
еквівалент купрум(ІІ) хлориду в реакції з натрій йодидом – 12CuCl₂

Якщо відома маса або об’єм (для газів) зразка речовини, то кількість речовини її еквівалента обчислюють за формулою:

де n_екв — кількість речовини еквівалента, моль;

m — маса речовини, г;

M_екв — еквівалентна маса (молярна маса еквівалента), г/моль.

де n_екв — кількість речовини еквівалента, моль;

V — об’єм речовини, л;

V_{m екв} — еквівалентний об’єм (молярний об’єм еквівалента), л/моль.

Отже, для визначення кількості речовини еквівалента деякої сполуки потрібно знати її еквівалентну масу або еквівалентний об’єи.

Еквівалентна маса або молярна маса еквівалента (M_eкв) — це маса одного моль хімічного еквіваленту речовини. Чисельно еквівалентна маса дорівнює добутку молярної маси речовини та її фактору еквівалентності:

Приклад 1. Обчисліть молярні маси еквіваленту (г/моль)

аргентум(І) оксиду:

1) послуговуючись Табл. 1, визначимо фактор еквівалентності аргентум(І) оксиду:

2) молярна маса: M(Ag₂O) = 232 г/моль;
3) еквівалентна маса: Mекв(Ag₂O)=M(1/2Ag₂O)=1/2∙232=116 г/моль

сульфатної кислоти:

1) послуговуючись Табл. 1, визначимо фактор еквівалентності сульфатної кислоти: f_екв(H₂SO₄)=12;
2) молярна маса: M(H₂SO₄) = 98 г/моль;
3) еквівалентна маса: Mекв(H₂SO₄)=M(1/2H₂SO₄)=1/2∙98=49 г/моль

калій карбонату:

1) послуговуючись Табл. 1, визначимо фактор еквівалентності калій карбонату:

2) молярна маса: M(K₂CO₃) = 138 г/моль;
3) еквівалентна маса: Mекв(K₂CO₃)=M(1/2K₂CO₃)=1/2∙138=69 г/моль

Завдання 3. Зважаючи на відомості, наведені в Табл. 1, розрахуйте кількість речовини еквівалента

а) водню масою 4 г:
б) магній оксиду масою 16 г:
в) кальцій карбонату масою 5 г:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Еквівалентний об’єм або молярний об’єм еквівалента (V_{m екв}) — це об’єм одного моль хімічного еквіваленту газуватої речовини. Як і еквівалентна маса, молярний об’єм еквівалента чисельно дорівнює добутку молярного об’єму газу та фактору еквівалентності:

Завдання 4. Зважаючи на відомості, наведені в Табл. 1, розрахуйте кількість речовини (за н. у.) еквівалента

а) кисню об’ємом 4,48 л:
б) сірководню об’ємом 5,6 л:
в) водню об’ємом 672 мл:

Опрацюйте запропонований приклад розв’язування задач на обчислення за хімічним рівнянням із застосуванням поняття еквіваленту.

Приклад 2. Зробіть необхідні розрахунки та визначте кількість речовини еквівалента цинку, порція масою 6,5 г якого розчиняється в розведеній сульфатній кислоті.

Розв’язання:

Спосіб 1.

Реакція розчинення цинку в розведеній сульфатній кислоті є окисно-відновним процесом, під час якого цинк піддається окисненню:

Zn – 2e‾ = Zn²⁺, f_екв(Zn) = ½

Молярна маса еквіваленту цинку: M_екв(Zn) = ½∙65 = 32,5 г/моль
Кількість речовини еквіваленту цинку:

Спосіб 2.

Знаючи масу цинку, розрахуємо його кількість речовини:

Реакція розчинення цинку в розведеній сульфатній кислоті є окисно-відновним процесом, під час якого цинк піддається окисненню:

Zn – 2e‾ = Zn²⁺, f_екв(Zn) = ½

В електронному рівнянні окиснення цинку бере участь 2 (два) електрони, а тому кількість речовини еквівалента цинку становить:

Відповідь: кількість речовини еквівалента цинку дорівнює 0,2 моль.

3. Практикуємось

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 18 хв.

Виконуємо вправи і завдання.

1. В основі промислового добування амоніаку NH₃ лежить процес фіксації атмосферного азоту газуватим воднем, розроблений німецькими вченими Фріцем Габером та Карлом Бошем.
- 3.1.1.Складіть рівняння реакції синтезу амоніаку з простих речовин та обчисліть кількість речовини еквіваленту азоту об’ємом 6,72 л (за н. у.).

3.1.2. Обчисліть масу водню, який бере участь в процесі фіксації атмосферного азоту методом Боша-Габера, якщо кількість речовини його еквівалента становить 0,05 моль.

2. Виконайте необхідні обчислення та заповніть таблицю:

Формула речовини

Кількість речовини, моль

Кількість речовини еквівалента, моль

Об’єм (для газів, за н. у.), л

Маса, г

H₂

0,2

F₂

0,56

0,75

H₂S

8,5

NaOH

0,15

3. Крізь баритову воду, що містить барій гідроксид масою 34,2 г, пропустили надлишок карбон(IV) оксид. Обчисліть кількість речовини еквівалента барій гідроксиду, якщо єдиним продуктом такої реакції є середня сіль.

4. Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв.

Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.

Учні по черзі ланцюжком підсумовують вивчене одним словом, яке запам’ятали із сьогоднішнього уроку. Слово не має повторюватися.

У вільний від відпочинку час

Подумайте, чому еквівалентна маса (або еквівалентний об’єм) однієї і тієї ж речовини може бути різною. Обґрунтуйте свою відповідь, наводячи рівняння відповідних реакцій.
Складіть діаграму Венна, порівнявши поняття «відносної молекулярної маси», «молярної маси» та «еквівалентної маси».
Дослідіть, у яких галузях техніки чи медицини застосовують поняття хімічного еквівалента. Підготуйте коротке повідомлення (5–7 речень) або презентацію (3–5 слайдів).

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 8. Поняття еквівалента. Еквівалентна маса. Еквівалентний об`єм

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати

Очікувані результати для учнівства:

Я розумію поняття хімічного еквіваленту.
Я обчислюю еквівалентну масу та еквівалентний об’єм (для газів) речовин різних класів сполук-учасників як кислотно-основних реакцій, так і окисно-відновних.
Я розв’язую розрахункові задачі із застосуванням поняття еквіваленту.

План уроку

Мотивація (4 хв.).
Поняття еквіваленту. Еквівалентна маса та еквівалентний об’єм (для газів) (20 хв.).
Практикуємось (18 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Завдання 1. Пригадайте (перегляньте / здійсніть) хімічну реакцію, яка відбувається в процесі «гасіння» соди.

Складіть рівняння реакції в молекулярній та в йонній формах:

Який газ виділяється в процесі реакції?_______________________
А що буде з об’ємом виділеного газу, якщо узяти вдвічі більше соди? А якщо вдвічі більше кислоти?__________________________________________________
Чи можна визначити точну кількість реактантів необхідних для перетворення, щоб не залишилося «зайвого»?___________________________________________________

2. Поняття еквіваленту. Еквівалентна маса та еквівалентний об’єм (для газів)

Пригадайте та дайте відповіді на питання:

Що таке молекула?
Що таке молярна маса?
Що такий молярний об’єм?
Які одиниці розмірності маси та об’єму в хімії ви знаєте?

Таблиця 1. Обчислення фактора еквівалентності різних частинок.

Частинка	Фактор еквівалентності	Приклад
Елемент, R	(8) $\begin{equation} f_{екв}(R) = \frac{1}{\|S(R)\|}\end{equation}$ S(R) – ступінь окиснення елемента R	fекв(Al в Al⁺³₂O₃)=1/3 fекв(Cu в Cu⁺¹₂O)=1/1=1
Прості речовини	(9) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(R) = \frac{1}{S(R) \cdot N(R)}\end{equation}$ S(R) – кількість хімічних зв’язків між атомами R в структурній частинці речовини N(R) – число атомів R в структурній частинці речовини	fекв(H2)= 1/1∙2=1/2 fекв(O2)= 1/2∙2=1/4 fекв(Cl2)= 1/1∙2=1/2
Оксиди	(10) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{оксид}) = \frac{1}{\|S(R)\| \cdot N(R)}\end{equation}$ S(R) – ступінь окиснення елемента R N(R) – число атомів / катіонів R в структурній частинці оксиду	fекв(Al⁺³₂O₃)=1/3∙2=1/6 fекв(Cu⁺¹₂O)=1/1∙2=1/2
Кислоти	(11) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{кислота}) = \frac{1}{N(H^+)}\end{equation}$ N(H⁺) – кількість катіонів Гідрогену Н⁺, які беруть участь в реакції	H₃PO₄ + 2KOH = K₂HPO₄ + 2H₂O fеквH₃PO₄=1/2
Основи	(12) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{основа}) = \frac{1}{N(OH^-)}\end{equation}$ N(H⁺) – кількість гідроксид-аніонів OH‾, які беруть участь в реакції	3HCl + Fe(OH)₃ = FeCl₃ + 3H₂O fекв(Fe(OH)₃)=1/3
Солі	(13) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{сіль}) = \frac{1}{S(R) \cdot N(R)}\end{equation}$ S(R) – ступінь окиснення катіону або аніону в формульній одиниці солі N(R) – число катіонів або аніонів у формульній одиниці солі	fекв(Al⁺³₂(SO4⏞-2)3)=1/+3∙2=1/-2∙3=1/6
Учасники окисно-відновних реакціях	(14) $\begin{equation} f_{\text{екв}}(\text{кислота}) = \frac{1}{N(e^-)}\end{equation}$ N(e‾) – кількість електронів e‾, що беруть участь у процесі окиснення або відновлення	2CuCl₂ + 4NaI = 2CuI + I₂ + 4NaCl Cu²⁺ + 2е‾ = Cu fекв(CuCl₂)=1/2 2I‾ – 2e‾ = I₂ fекв(I₂)=1/2

Для позначення еквівалента перед формулою речовини указують значення фактора еквівалентності:

еквівалент сульфатної кислоти в реакції повної нейтралізації -1/2H₂SO₄
еквівалент алюміній гідроксиду – 1/3Al(OH)₃
еквівалент кисню -1/4O₂
еквівалент купрум(ІІ) хлориду в реакції з натрій йодидом – 12CuCl₂

де n_екв — кількість речовини еквівалента, моль;

m — маса речовини, г;

M_екв — еквівалентна маса (молярна маса еквівалента), г/моль.

де n_екв — кількість речовини еквівалента, моль;

V — об’єм речовини, л;

V_{m екв} — еквівалентний об’єм (молярний об’єм еквівалента), л/моль.

Приклад 1. Обчисліть молярні маси еквіваленту (г/моль)

аргентум(І) оксиду:

1) послуговуючись Табл. 1, визначимо фактор еквівалентності аргентум(І) оксиду:

2) молярна маса: M(Ag₂O) = 232 г/моль;
3) еквівалентна маса: Mекв(Ag₂O)=M(1/2Ag₂O)=1/2∙232=116 г/моль

сульфатної кислоти:

1) послуговуючись Табл. 1, визначимо фактор еквівалентності сульфатної кислоти: f_екв(H₂SO₄)=12;
2) молярна маса: M(H₂SO₄) = 98 г/моль;
3) еквівалентна маса: Mекв(H₂SO₄)=M(1/2H₂SO₄)=1/2∙98=49 г/моль

калій карбонату:

1) послуговуючись Табл. 1, визначимо фактор еквівалентності калій карбонату:

2) молярна маса: M(K₂CO₃) = 138 г/моль;
3) еквівалентна маса: Mекв(K₂CO₃)=M(1/2K₂CO₃)=1/2∙138=69 г/моль

Завдання 3. Зважаючи на відомості, наведені в Табл. 1, розрахуйте кількість речовини еквівалента

а) водню масою 4 г:
б) магній оксиду масою 16 г:
в) кальцій карбонату масою 5 г:

Завдання 4. Зважаючи на відомості, наведені в Табл. 1, розрахуйте кількість речовини (за н. у.) еквівалента

а) кисню об’ємом 4,48 л:
б) сірководню об’ємом 5,6 л:
в) водню об’ємом 672 мл:

Розв’язання:

Спосіб 1.

Реакція розчинення цинку в розведеній сульфатній кислоті є окисно-відновним процесом, під час якого цинк піддається окисненню:

Zn – 2e‾ = Zn²⁺, f_екв(Zn) = ½

Молярна маса еквіваленту цинку: M_екв(Zn) = ½∙65 = 32,5 г/моль
Кількість речовини еквіваленту цинку:

Спосіб 2.

Знаючи масу цинку, розрахуємо його кількість речовини:

Реакція розчинення цинку в розведеній сульфатній кислоті є окисно-відновним процесом, під час якого цинк піддається окисненню:

Zn – 2e‾ = Zn²⁺, f_екв(Zn) = ½

Відповідь: кількість речовини еквівалента цинку дорівнює 0,2 моль.

3. Практикуємось

1. В основі промислового добування амоніаку NH₃ лежить процес фіксації атмосферного азоту газуватим воднем, розроблений німецькими вченими Фріцем Габером та Карлом Бошем.
- 3.1.1.Складіть рівняння реакції синтезу амоніаку з простих речовин та обчисліть кількість речовини еквіваленту азоту об’ємом 6,72 л (за н. у.).

3.1.2. Обчисліть масу водню, який бере участь в процесі фіксації атмосферного азоту методом Боша-Габера, якщо кількість речовини його еквівалента становить 0,05 моль.

2. Виконайте необхідні обчислення та заповніть таблицю:

Формула речовини

Кількість речовини, моль

Кількість речовини еквівалента, моль

Об’єм (для газів, за н. у.), л

Маса, г

H₂

0,2

F₂

0,56

0,75

H₂S

8,5

NaOH

0,15

3. Крізь баритову воду, що містить барій гідроксид масою 34,2 г, пропустили надлишок карбон(IV) оксид. Обчисліть кількість речовини еквівалента барій гідроксиду, якщо єдиним продуктом такої реакції є середня сіль.

4. Рефлексія

У вільний від відпочинку час

Подумайте, чому еквівалентна маса (або еквівалентний об’єм) однієї і тієї ж речовини може бути різною. Обґрунтуйте свою відповідь, наводячи рівняння відповідних реакцій.
Складіть діаграму Венна, порівнявши поняття «відносної молекулярної маси», «молярної маси» та «еквівалентної маси».
Дослідіть, у яких галузях техніки чи медицини застосовують поняття хімічного еквівалента. Підготуйте коротке повідомлення (5–7 речень) або презентацію (3–5 слайдів).

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе