5828
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
С.В. Митрофанова, И.Л. Смельцова
ХИМИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА
Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия (общая, неорганическая, органическая
химия)» для обучающихся по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль Безопасность технологических процессов и производств
Нижний Новгород
2022
2
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
С.В. Митрофанова, И.Л. Смельцова
ХИМИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА
Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия (общая, неорганическая, органическая
химия)» для обучающихся по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль Безопасность технологических процессов и производств
Нижний Новгород
2022
3
УДК 541 (075)
Митрофанова С.В. Химические единицы количества вещества : учебно-методическое пособие / С. В. Митрофанова, И. Л. Смельцова; Нижегородский государственный архитектурностроительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 20 с. : ил. – Текст : электронный
Рассмотрены единицы количества веществ, используемых в химии - углеродная единица, моль и эквивалент, а также производные от них - молярная и эквивалентная масса. Предложены лабораторные работы по экспериментальным методам определения молярной массы веществ, и эквивалентной массы металлов и солей.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Общая, неорганическая и органическая химия» для студентов 1 курса, направление 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль Безопасность технологических процессов и производств
© С.В.Митрофанова, И.Л. Смельцова, 2022
© ННГАСУ, 2022.
4
Введение Материальная система обладает бесконечным множеством различных свойств,
которые описываются количественными и качественными параметрами. Некоторые из этих свойств прямо пропорциональны количеству вещества. К ним относятся: масса -
мера гравитации и инерции; объем и число структурных элементов, составляющих вещество (молекулы, атомы, электроны и другие частицы). Эти свойства называют экстенсивными. Остальные свойства - интенсивные. Они не зависят от количества вещества. Например, плотность, давление, температура и другие.
Количества вещества системы выражают через величины экстенсивных свойств.
В практике в качестве единицы количества вещества используют величины массы и объема. В химии и атомной физике единицами количества вещества служат углеродная единица, моль и эквивалент.
Углеродная единица равна 1/12 части массы атома изотопа углерода 12С. В
соответствии с этим массу атомов и молекул, выраженную в углеродных единицах называют относительной атомной и молекулярной массой (так масса атома водорода равна 1,00797 углеродной единицы, масса атома кислорода - 15,9994 углеродной единицы).
Единица количества вещества «моль» связана с числом структурных элементов.
Моль - это такое количество вещества, в котором содержится столько структурных элементов (например, молекул, атомов) сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12С. В 12 г этого изотопа содержится 6,02
1023 атомов (число Авогадро).
Единица количества вещества «эквивалент» является функцией числа структурных элементов и валентности атомов, образующих это вещество.
Определение эквивалента вытекает из закона эквивалентов: количества вещества,
выраженные в эквивалентах, для всех участников данной химической реакции одинаково. Например, для реакции А + В = С + D 5 эквивалентов вещества А взаимодействует с 5 эквивалентами вещества В и при этом образуется по 5
эквивалентов веществ С и D.
В общем случае: 
= 
,
|
|
|
|
5 |
где: |
m |
- |
масса |
вещества, вступившего в реакцию, |
Э - эквивалентная масса вещества.
Эквивалент - это такое количество вещества, которое взаимодействует с 1
эквивалентом водорода. Эквивалент водорода это такое его количество, в котором содержится 6,02.1023 атомов.
Масса и количества вещества, выраженное в молях и эквивалентах, связаны
между собой уравнениями: |
|
m = M . |
(1) |
m = Э . n , |
(2) |
где: m - масса вещества; |
|
- количество вещества в молях;
n - количество вещества в эквивалентах;
М - молярная масса вещества;
Э - эквивалентная масса вещества.
Молярная масса М выражается в единицах г/моль, а эквивалентная Э в г/экв.
Нетрудно найти связь между эквивалентной и молярной массой вещества из формул (1) и (2):
Э = М . / n |
(3) |
Отношение / n обратно пропорционально произведению числа атомов или ионов на их валентность. Найдем эквивалентную массу кислорода: молярная масса кислорода равна 32 г/моль, молекула кислорода состоит из двух атомов, валентность кислорода равна 2, тогда, Э = М . 1/ 2.2 = 32 . 1/ 4 = 8 г/экв.
Таким образом, эквивалентную массу простого вещества можно рассчитать по формуле:
М вещества
Э простого вещества = |
(4) |
Число атомов . Валентность элемента
6 |
|
|
Очевидно, что эквивалентная масса веществ, |
образованных |
атомами, |
проявляющими постоянную валентность, постоянна. Например, ЭН= 1 г/экв, ЭО= 8 г/экв, ЭАl= 9 г/экв.
Понятия эквивалента и эквивалентной массы распространяется и на сложные вещества. Эквивалентная масса сложного вещества равна сумме эквивалентных масс
простых веществ или ионов, образующих это вещество. Например, ЭAl2O3 = ЭAl + ЭО = 9 г/экв + 8 г/экв = 17 г/экв;
ЭН2SO4 = ЭН+ + ЭSO42- |
= 1 г/экв + 48 г/экв = 49 г/экв. |
Эквивалентные массы сложных веществ можно рассчитать по следующим |
|
формулам: |
|
Мкислоты |
|
Экислоты = |
(5) |
Число атомов водорода в формуле
Моснования
Эоснования = |
(6) |
Число групп (ОН-) в формуле
Мсоли
Эсоли = |
(7) |
Число атомов металла . Валентность металла
Моксида
Эоксида = |
(8) |
Число атомов элемента . Валентность элемента
Например, молярная масса серной кислоты 98 г/моль, число атомов водорода равно 2, поэтому 
Лабораторная работа №1.
7
Определение молярной массы газов.
Цель работы: определить молярную массу одного из газов - воздуха или диоксида углерода (углекислого газа).
Молярную массу газов вычисляют с помощью уравнения Менделеева-
Клапейрона:
,
где: Р - давление газа (Па, атм или мм рт.ст.);
V - объем газа (м3, л или мл);
- количество вещества в молях;
Т- температура (К);
R - универсальная газовая постоянная
Для расчетов выбираете наиболее удобные единицы.
Отсюда:
(9)
Экспериментальная часть.
1. Из сосуда, изображенного на рисунке 1, откачивают воздух. Для этого сосуд,
|
|
изображенный на рисунке 1, соединяют |
|
|
резиновым шлангом с вакуумным насосом. |
|
|
При открытом кране 1 и закрытом кране 2 |
1 |
2 |
включить насос на 2-3 минуты. Закрыть кран |
Рис. 1. Сосуд для определения |
1, отсоединить сосуд от насоса. |
|
|
||
молярной массы газа. |
|
2. Вакуумированный сосуд осторожно |
взвешивают на технических весах с точностью 0,01 г. Записать массу сосуда m1.
8
3.Для заполнения сосуда воздухом осторожно открыть краны 1 и 2. Для заполнения сосуда углекислым газом, его с помощью резинового шланга присоединяют к аппарату Киппа, осторожно открывают краны 1 и 2, открывают кран на аппарате Киппа и медленно пропускают СО2. При этом заполняемый сосуд располагают вертикально и СО2 подают снизу.
4.Взвешивают сосуд, заполненный газом на технических весах. Записать массу сосуда m2 и по разности m2 - m1 найти массу газа.
5.Определяют значения комнатной температуры и атмосферного давления. Используя полученные данные:
m1 - масса вакуумированного сосуда; m2 - масса сосуда, заполненного газом;
Р - атмосферное давление (давление газа); Т – температура.
Молярная масса воздуха равна 29 г/моль.
По уравнению (9) рассчитывают молярную массу газа. Вычисляют относительную погрешность:
,
где: Мэкс. - молярная масса газа, вычисленная из экспериментальных данных; Мрасч. - молярная масса газа, рассчитанная на основании относительных
атомных масс.
ВЫВОД
1.Получено экспериментальное значение молярной массы ............(воздуха или СО2), равное ....................г/моль.
2.Относительная ошибка измерения составила ................................. %.
Лабораторная работа №2. Определение молярной массы металла.
Цель работы: экспериментальным путем определить молярную массу магния.
|
|
|
9 |
В |
основе |
одного |
из экспериментальных методов определения |
молярной массы металлов, вытесняющих из кислот водород, лежит реакция между навеской металла и избытком кислоты.
Mg + 2 HCl = MgCl2 + H2
При растворении двухвалентного металла число молей, выделившегося водорода, равно числу молей растворившегося металла. Измерив объем выделившегося водорода, его давление и температуру вычисляют число молей выделившегося водорода из уравнения Менделеева-Клапейрона
(10)
ν (H2) = νМg, а из уравнения (1) ММg = mм/ νМg, тогда
Подставив mH2 из уравнения (11) в уравнение (10), получим:
(11)
Экспериментальная часть.
1. В короткое колено сосуда 1, изображенного на рисунке 2, помещают навеску магния, а в длинное колено избыток соляной кислоты (15 мл 13 % раствора). Сосуд закрываем пробкой с резиновой трубкой, соединяющей сосуд 1 с измерительной бюреткой 5.
10
2. Открывают кран 2 и с помощью уравнительной склянки с водой 3 заполняют бюретку до метки 4, совместив уровни воды в мерительной склянке и бюретке. Закрывают
кран 2.
3. Осторожно приливают кислоту к гнию небольшими порциями.
4. После окончания реакции сосуд 1
лаждают до комнатной температуры и Рис. 2. Схема установки. измеряют объем выделившегося водорода, предварительно совместив уровни воды в
уравнительной склянке и бюретке.
5. Определяют температуру и атмосферное давление.
Из экспериментальных данных:
mм - масса магния (г),
VH2 - объем выделившегося водорода (л),
Р - атмосферное давление (атм),
Т - температура (К),
R - универсальная газовая постоянная
(для расчетов выбираете наиболее удобные единицы),
по уравнению (11) находят Мм.
Относительную погрешность измерения вычисляют по формуле:
,
где: Мэкс.- молярная масса магния, вычисленная из экспериментальных данных;
- молярная масса магния, рассчитанная по таблице Менделеева.
ВЫВОД
1.Получено экспериментальное значение Ммg, равное ........................
2.Относительная ошибка измерения составила ................................. %.