Как найти мольную массу металла

Цель работы:
Приобретение навыков экспериментального
определения эквивалентной и мольной
массы металла по объему вытесненного
водорода.

В основе работы
лежит способность некоторых активных
металлов вытеснять водород из растворов
кислот (HCl, H₂SO₄)
по реакции

2 Me + 2n
H⁺
= 2 Meⁿ⁺
+ n H₂,

где
Me = Mg, Al, Zn, Fe и
другие.

И

змерив объем водорода, вытесненного
из кислоты металлом заданной массы, и
применив закон эквивалентов,
можно определить эквивалентную массу,
а затем и мольную массу металла.

Объем выделившегося
в результате реакции водорода можно
определить при помощи установки,
изображенной на рис. 1. Установка состоит
из бюретки 1 и химической воронки 2,
соединенных каучуковой трубкой 3, и
представляющих собой сообщающиеся
сосуды, закрепленные на штативе 4. К
бюретке присоединена пробирка 5.

Расположите воронку
на штативе 4 так, чтобы уровень воды в
бюретке находился на нулевой отметке
(или на 0,1-0,5 мл ниже), а сама воронка была
заполнена водой примерно наполовину.

Перед началом
работы убедитесь в герметичности
установки. Для этого, проверив, плотно
ли закрыты отверстия 6 и 7, поднимите
воронку на 10-15 см, закрепите
ее в этом положении
и наблюдайте в течение 1-2 минут за уровнем
воды в бюретке. Если уровень воды за это
время не меняется, значит, герметичность
соединений обеспечена, и можно приступать
к работе.

П

Рис. 1. Установка
для определения

эквивалентной массы
металла по водороду

олучите навеску металла (m≈
0,03-0,05 г) у преподавателя. По нижнему краю
мениска замерьте уровень воды (V₁)
в бюретке 1. Держа пробирку в наклонном
положении, осторожно поместите в нее
навеску металла так, чтобы после
присоединения пробирки к установке
металл находился ниже пробки, но не
касался кислоты. Вновь проверьте
герметичность установки, чтобы исключить
потери выделившегося в результате
реакции водорода. Затем установите
пробирку вертикально, чтобы весь металл
упал в кислоту.

После окончания
реакции дайте пробирке охладиться (2-4
мин) и, перемещая воронку по штативу,
установите одинаковый уровень воды в
бюретке и воронке. Замерьте уровень
воды в бюретке (V₂).
Разность двух значений уровня воды в
бюретке, до и после реакции металла с
кислотой, дает объем выделившегося
водорода V = V₂

V₁.

В лабораторном
журнале вычертите таблицу 1, в которую
внесите полученные данные. Туда же
запишите показания термометра и барометра
во время опыта.

Необходимо учесть,
что водород, собранный над водой в
бюретке, содержит водяной пар. Поэтому
общее давление в бюретке (Р_атм),
равное атмосферному, складывается из
парциальных давлений газообразного
водорода Р(Н₂)
и насыщенного водяного пара Р(Н₂O):
Р_атм
= Р(Н₂)
+ Р(Н₂O).

Тогда Р(Н₂)
= Р_атм

Р(Н₂O)_.

Давление водяного
пара при температуре эксперимента
определите из табличных данных (табл.
2.).

Расчеты

Расчет мольной
массы эквивалента (эквивалентной массы)
металла М_Э
оп по
экспериментальным данным следует
проводить двумя способами:

1) по
массе
выделившегося водорода m(Н₂)
с использованием
уравнения Менделеева-Клапейрона:

m(Н₂)

(Р_атм
–
Р_Н2O)
•
V(Н₂₎
= 
R •
T,

M (Н₂)

(Р_атм.
–
Р_Н2O)
•
V(Н₂)
•
M
(Н₂)

m
(Н₂₎
= ^{_________________________________________}

R
•
T

и
далее по закону
эквивалентов:

m_(Me)
M_Э
(Ме)

 = 

m (Н₂)
M_Э
(Н₂)

m_(Me)
•
M_э
(Н₂)

вычисляем
М
_Э(Ме) :
М
_Э(Ме)
= ^{________________________}
.

m
(Н₂)

2) по
объему
выделившегося водорода с использованием
объединенного
газового закона: приводят
объем выделившегося в результате реакции
водорода V(Н₂)
к нормальным условиям V_о
(Н₂ ):

P_о
•
V_о
(Н₂₎
(P_атм

Р_Н2O)
•
V (Н₂)

 = 
,

T_о
T

Т_о
(Р_атм.
— Р_Н2O)
•
V
(Н₂)

V_о
(Н₂)
= ^{_________________________________}

P_о
•
T

и далее по закону
эквивалентов с использованием
эквивалентного
объема водорода

m_(Ме)
М_Э(Ме)

 = ,

V_о
(Н₂)
V_э
(Н₂)

где V_э(Н₂)
= 11,2 л/моль = 11200 мл/моль, V_о(Н₂)
– объем водорода, приведенный к нормальным
условиям; р_о
и Т_о
– значения давления и температуры при
нормальных условиях.

Вычислите М_Э
(Ме) :

m
_(Me)
•
V_э
(Н₂)

М_Э
(Ме)
=

V_о
(Н₂)

Вычислите среднее
значение эквивалентной массы металла:

М_Э(Ме)
+ М_Э(Ме)

М _{Э(Ме)
оп} =

и запишите его в табл. 1

2

.

Если валентность
металла (W) известна, находите
экспериментальное значение молярной
массы металла – М
_{(Ме) оп}:
М _(Ме)оп
= М _Э(Ме)оп
•
W.

По значению молярной
массы М_(Ме)
Оп и
его валентности по периодической системе
элементов определите металл и теоретическое
значение его молярной массы М_{(Ме)
теор.}

Если валентность
металла неизвестна, следует последовательно
придавать ей значения 1, 2, 3. Затем, умножая
мольную массу эквивалента на значение
валентности, определите возможные
значения мольной массы металла и сравните
их с подходящими по величине мольными
массами элементов в периодической
системе. Если свойства металла совпадают
со свойствами элемента в данном месте
таблицы, то делается вывод о том, что
исследуемый металл определен, находится
его
валентность
и теоретическое значение молярной
массы.

Далее рассчитайте
теоретическое значение эквивалентной
массы:

М_{(Ме)
теор}

М _{Э(Ме)
теор} =
,

W

и
погрешности (ошибки) опыта (по молярной
массе):

абсолютную 
_абс = 
М_{(Ме)
теор} 
М_(Ме)
оп
;

_абс

относительную 
_отн = 
•100
%.

М_{(Ме)
теор}

Все рассчитанные
значения занесите в таблицу 1.

Сделайте письменный
вывод по
проделанной работе и выполненным
расчетам.

Таблица 1

Экспериментальные
и расчетные данные опыта по определению
эквивалентной массы металла

Масса навески металла, г	m (Me)
Условия опыта	атмосферное давление, Па	ратм
температура, К	T
Давление насыщенного водяного пара, Па	р(Н2О)
Давление газообразного водорода в условиях опыта, Па	р(Н2)
Уровень воды, м3	до опыта	V1
после опыта	V2
Объем водорода в условиях опыта, м3	V(Н2)
Объем водорода, приведенный к н.у., м3	Vо (H2)
Мольная масса металла, г/моль	опытная	М опыт
теоретическая	М теор
Погрешности опыта	абсолютная, г/моль	 абс,
относительная, %	 отн

Таблица 2

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Для того чтобы разобраться с понятием «молярная масса», необходимо вспомнить важный химический термин «моль». Моль тесно связан с химической константой – числом Авогадро и химическим элементом углерод (С), который взят за основу при определении количества вещества, равного 1 молю. Помнить наизусть его значение необязательно, любой электронный или бумажный справочник легко напомнит нам, что число Авогадро (оно обозначается NА) составляет 6,02х10²³. Это число частиц вещества (количество молекул или атомов), которое содержится в одном его моле. Принято считать, что в 1 моле любого химического соединения содержится такое количество вещества, которое содержат 12 г атома углерода.

Простыми словами молярную массу можно идентифицировать как «вес 1 моля химического вещества».

В международной системе единиц СИ в соответствии с принятыми стандартами молярную массу определяют в граммах на моль (г/моль). В определенных случаях ее также указывают в кг/моль, если так удобнее производить расчеты. В процессе решения задач по химии молярную массу обозначают большой буквой «М».

Молярную массу не надо путать с весом молекулы, атома и иона, эти понятия отнюдь не тождественны, хотя их числовые величины могут и совпадать. Далеко не для всех химических веществ молярная масса и молекулярный вес равны друг другу. Молярная и молекулярная массы соединений имеют одинаковые значения для химических веществ, состоящих из атомов.

Важно

Не путайте молярную массу с весом молекулы!

Рассмотрим это на примере галогена из 7-й группы таблицы Менделеева – хлора (CL):
• атом хлора Cl «весит» 35,5;
• ион хлора Cl^— – 35,5;
• молекула хлора Cl² – 71.
Отличаются между собой эти значения и для другого газа – азота (N₂):
• молекула азота, состоящая из 2 атомов, имеет массу 28;
• атом элемента N – 14.

Вывод напрашивается сам по себе – молярные массы элемента, иона и вещества могут существенно различаться.

Как вычислить молярную массу

Чтобы рассчитать значение молярной массы химического вещества, целесообразно придерживаться следующего алгоритма:

1. Подготовить таблицу Менделеева (она может понадобиться для определения валентности и атомных масс химических элементов).
2. Правильно составить химическую формулу вещества, пользуясь знаниями об основных классах неорганических соединений и их свойствах и сведениями, почерпнутыми из таблицы Менделеева, например:

• углекислый газ – СО₂;
• серная кислота – Н₂SO₄;
• хлорид кальция CaCL₂;
• гидроксид алюминия Al(OH)₃.

Прежде всего при составлении формул соединений необходимо помнить о валентности элементов, из которых они состоят.

1. Определяем молекулярный вес и молярную массу каждого из вышеуказанных химических соединений (вес атомов опять берем в ячейке химического элемента в таблице Менделеева):

• СО₂ – 1 атом углерода (12) + 2 атома кислорода (32) = 44;
• Н₂SO₄ – 2 атома водорода (2) + 1 атом серы (32) + 4 атома кислорода (64) = 98;
• CaCL₂ – 1 атом кальция (40) + 2 атома хлора (71) = 111;
• Al(OH)₃ – 1 атом алюминия (27) + 3 атома водорода (3) + 3 атома кислорода (48) = 78.

Как видно из приведенных примеров, для выполнения необходимых вычислений достаточно сложить значения атомных масс элементов, находящихся в составе сложных веществ. Для простых веществ следует взять этот показатель, относящийся к соответствующему элементу, из таблицы Менделеева, принимая во внимание количество атомов в одной молекуле вещества (индекс в его формуле).

1. Определяем массу одной молекулы каждого из этих неорганических соединений с помощью числа Авогадро:

• m(СО₂) = Мr(СО₂) : NA= 44:6,02·10²³ = 7,3·10²³ г;
• m(H₂SO₄) = Мr(H₂SO₄) : NA= 98:6,02·10²³ = 16,28·10²³ г;
• m(CaCL₂) = Мr(CaCL₂) : NA= 111:6,02·10²³ = 18,5·10²³ г;
• m(Al(OH)₃) = Мr(Al(OH)₃) : NA= 78:6,02·10²³ = 13,0·10²³ г.

Практическое значение молярной массы вещества

Термин «молярная масса» широко используется в таких научных дисциплинах, как химия и физика. Значения молярных масс соединений часто требуется вычислять в химической промышленности при разработке полимерных комплексов и в ряде других ситуаций. Современную фармакологию также трудно представить без проведения расчетов этой величины.

Молярная масса – одно из ключевых понятий при проведении биохимических исследований.

Таким образом, молярную массу необходимо уметь вычислять не только ученым-химикам и сотрудникам химических лабораторий, но и специалистам из ряда других областей науки, фармакологам и работникам ряда отраслей промышленного производства.

Тест по теме “Молярная масса”

Была ли эта статья полезной?

Молярная, молекулярная и атомная массы

Молярная масса (для обозначения в формулах используется буква М) — характеристика вещества, отражающая количество граммов, которое содержится в одном его моле. Измеряется эта величина в г/моль. Интересно, что в Международной системе единиц указано, что параметр должен выражаться в кг/моль. Но г/моль является более удобной единицей измерения, поэтому именно она обычно используется на практике.

Эту величину иногда путают с относительной молекулярной массой. Численно они равны, но суть у последней другая. Молекулярная масса показывает, во сколько раз молекула вещества тяжелее атомной единицы массы (а. е. м.). Относительной она называется потому, что в химии вообще не используется понятие абсолютной по причине её чрезвычайной малости. К примеру, абсолютная масса атома водорода — 1,7*10^-24 г, этот параметр просто показывает, во сколько раз молекула тяжелее 1/12 углерода.

За единицу отсчёта атом элемента был взят за нейтральность и широкую распространённость в природе его изотопа. Но учёные не сразу ориентировались на углерод. Сначала были попытки создания водородной шкалы исходя из того, что водород наиболее лёгкий элемент, потом — кислородной. Но когда оказалось, что в природе это вещество является смесью изотопов с массой от 16 до 18, единица стала неприемлемой, поэтому её заменили углеродной.

С массой атомной молярная тоже может быть одинаковой, если простое вещество состоит из одного атома. Для каждого элемента её легко определить по таблице Менделеева — вместе с порядковым номером она указана в ячейке.

Определение атомной массы для каждого химического элемента было непростой задачей. Для этого учёные взвешивали все существующие в земной коре изотопы и вычисляли их среднее значение с учётом процентной распространённости в природе. Что касается синтетических элементов, то их определяли по наиболее стабильному изотопу.

Определение в сложных веществах

Для простых веществ, состоящих из одного атома, параметр считается так же, как для элемента. Молярная масса углерода всегда равна 12. Этот показатель справедлив и для натрия. Как простое вещество, этот мягкий серебристо-белый металл содержит в себе 23 г/моль, а купрум (так на латинском обозначается медь) — 63,5 г/моль. Газ также может состоять из одного элемента, например, гелий, искомый параметр которого 4 г/моль.

Но существуют и газы, которые образованы двумя молекулами (водород, азот, кислород, хлор, фтор и другие) или тремя (озон). Для них нужно не забывать умножать атомную массу на число молекул. Для сложных веществ параметр можно рассчитать аналогичным образом:

1. В H2O содержится два атома водорода и один кислорода, результат считается как 2 * 1 + 16. Итоговое значение молярной массы воды равно 18. Этот параметр для углекислого газа CO2 равен 44 (сумма массы углерода 12 и двух атомов кислорода 32), а для сернистого газа SO2 — 64 г/моль.
2. Органическое вещество метан, формула которого CH4, состоит из одного атома углерода и четырёх водорода, следовательно, ему свойственно значение 16. А у этана, содержащего на одну группу CH2 больше, масса равняется 30 г/моль.
3. В аммиаке NH3 — 17 г/моль.
4. В соляной кислоте HCl содержится 36,5 г/моль (обычно атомную массу хлора считают как 35,5, тогда как для многих других элементов её чаще округляют до целого значения). В хорошо известной калиевой щёлочи KOH — 56 г/моль.
5. В натриевой соли серной кислоты Na2SO4, как следует из химической формулы, находится 142 г/моль, а в алюминиевой (Al2 (SO4)3) — 342 г/моль. В азотнокислом серебре AgNO3 — 170 г/моль, в хлориде калия KCl — 74,5 г/моль.
6. В молекуле сахара, как в быту называют сахарозу, содержится 12 атомов углерода, 22 водорода и 11 кислорода, а это значит, что его масса равна 342 г/моль. В глюкозе 6, 12 и 6 атомов углерода, водорода и кислорода соответственно, а параметр равен 180 г/моль.

Исходя из этого, формулу молярной массы можно вывести следующим образом: М (XxYy) = М (Хx) + М (Yy) = x * М (Х) + y * М (Y). Таким образом, вычислить этот параметр для любого органического или неорганического вещества совсем несложно.

Главное, иметь под рукой таблицу Менделеева, тогда никакие онлайн-калькуляторы не потребуются.

Расчёты в смеси

Задачу можно усложнить, попробовав посчитать этот показатель в смеси, где в разных пропорциях входят различные соединения. Идеальным примером для этого является воздух. В нем можно выделить следующие составляющие:

• 23% кислорода;
• 76% азота;
• 1% аргона.

Искомый параметр будет вычисляться следующим образом: 0,23*32+0,76*28+0,01*40. Результат равен 29,04 г/моль (можно округлить до 29).

Конечно, в воздухе содержатся и другие вещества (углекислый и инертные газы, водород и т. д. ), но их масса составляет менее десятой процента, поэтому для простоты их допускается не учитывать.

Применение в химических задачах

С этим параметром связано множество других формул. Зная его, можно вычислить количество вещества (n). Для этого нужно разделить его фактическую массу на молярную (n = m / M). Чтобы узнать число частиц в нём (N), полученное значение n нужно умножить на константу Авогадро (N A). Получается 6,02*10²³ (N = n * N A) Именно столько структурных единиц содержится в одном моле любого соединения или простого вещества. С другой стороны, зная показатель n, можно найти m по формуле n * M. В итоге получается ещё одна формула: M = m / n.

В учебнике может ждать такая задача: «Найдите массу 0,75 моль азота N2». Начать нужно с нахождения массы одного атома азота. По таблице Менделеева она равняется 14 г. Молекула состоит из двух атомов, следовательно, масса одного моля азота как простого вещества будет иметь значение 28, а масса 0,75 моль — 21 грамм.

Не менее распространена в мире химии физическая величина под названием молярный объём (V m). Её получают как отношение молярной массы к плотности вещества (M /ρ). Размерность этой величины — м³/моль или л/моль (кубический метр или литр на моль). В стандартных условиях для идеального газа её значение принимается за 22,41. Конечно, в реальных условиях наблюдаются отклонения от этого значения, но для решения задач ими можно пренебречь, поскольку они минимальны.

Величину для газа можно найти по формуле M = V m * ρ. Но более правильным будет вычислять её с учётом всех условий по уравнению Менделеева — Клайперона. Оно выглядит следующим образом: p * V = m * R * T / M, где p — давление, V — объём, m — масса, R — константа, равная 8,314, T — температура, M — молярная масса.

Иногда требуется найти параметр для эквивалента (MЭ). Он будет напрямую зависеть от класса соединения и его формулы. Для кислот эквивалентное число (z) соответствует количеству атомов водорода в составе (один для HCl, два для H2SO4, три для H3PO4), для щелочей — групп OH (одна для KOH, две для Ca (OH)2). Для веществ, эквивалент которых равен единице, результат не меняется, для всех остальных МЭ находится как М/ z. Исходя из этого:

• МЭ для HCl равно 36,5 г/моль (один атом водорода), для H2SO4 — 49 г/моль (два атома водорода, следовательно, массу нужно разделить на 2);
• МЭ для KOH равно 51 г/моль, для Ca (OH) 2 — 37 г/моль.

Химия может быть понятной и доступной только для тех, кто последовательно подходит к её изучению и уделяет внимание каждой теме, читая учебники или просматривая видеоуроки. Но старания стоят того, ведь эта наука невероятно важная и интересная, она может дать объяснение составу и строению любого объекта окружающей среды, а на основе этих данных можно узнать практически всё о его свойствах и научиться волшебству превращения одних веществ в другие.