Закон эквивалентов
В Большом толковом словаре слово эквивалент (на латинском звучит, как aequivalens) объясняется, как что-то равноценное, равносильное или равнозначащее другому, что сможет его вполне заменить. В химии закон эквивалентов (используется с конца 18 столетия, его изучают в школе, применяют химики и биологи разных стран в теории и на практике) устанавливает, что все химические вещества вступают в реакции в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Открыт закон был немецким химиком И. В. Рихтером, труды которого долгое время были неизвестны. В своей трехтомной работе, опубликованной в период с 1792 по 1794 годы под названием «Начала стехиометрии, или способ измерения химических элементов», ученый показал, что химические вещества вступают в реакции в строгом соотношении. Им же был введен такой термин, как «стехиометрия». Сейчас это целый раздел химии, который описывает соотношение реагентов, вступающих в химическое взаимодействие.
Рихтер первым в своих работах привел количественные уравнения реакций. Они представляют собой условную запись, содержащую качественную и количественную информацию о процессах, происходящих при взаимодействии разных химических веществ, называемых реагентами. Еще во времена алхимической науки для обозначения простых элементов ученые пользовались различными символами, позже были открыты формулы сложных (состоящих из нескольких элементов) химических веществ. Но только И. В. Рихтер (под влиянием своего учителя и философа Иммануила Канта, утверждавшего, что отдельные направления естественных наук содержат столько истинной науки, сколько в ней есть математики) использовал в диссертации химические формулы и понятие «стехиометрия», описал количественные уравнения реакции и открыл Закон эквивалентов. Формула, его выражающая может быть записана: Э2 • m1 = Э1 • m2. Где m1 и m2 — это массы веществ «1» и «2», вступивших в реакцию, а Э1 и Э2 — это их химические эквиваленты.
Чтобы понять Закон эквивалентов, необходимо уточнить, что эквивалент — это условное или реальное количество вещества, которое может присоединить катион водорода в кислотно-щелочных реакциях или электрон в результате окислительно-восстановительных реакций. Эквивалентная масса — это масса одного эквивалента. Считается, что 1 эквивалент вещества реагирует (или вытесняет) с 1 граммом водорода или с 8 граммами кислорода, или 35,5 граммами хлора. На практике количество вещества в эквиваленте часто имеет очень малую величину, поэтому его принято выражать в молях. В 1 моле содержится постоянное количество частиц (атомов, ионов или молекул), оно равно числу Авагадро: NA = 6,02214179(30)·1023. Масса одного моля вещества, выраженная в граммах, численно равняется его массе в атомных единицах массы.
Опираясь на Закон эквивалентов, можно утверждать, что при кислотно-щелочном титровании, протекающем по уравнению реакции: KOH + HCl → KCl + H2O, в результате взаимодействия 1 моля гидроокиси калия с 1 молем соляной кислоты, получается 1 моль соли, называемой хлористый калий, и 1 моль воды. То есть эквивалентная масса гидроокиси калия равняется Э KOH = 39 + 16 + 1 = 56 г, соляной кислоты — Э HCl = 1 + 35 = 36 г, хлорида калия — Э KCl = 39 + 35 = 74 г, воды — Э H2O = 1 • 2 + 16 = 18 г. Для того чтобы полностью нейтрализовать 56 г гидроокиси калия, необходимо 36 г соляной кислоты. В результате получится 74 г хлорида калия и 18 г воды. Но так как законом установлено, что массы веществ, вступивших в реакцию пропорциональны их эквивалентам, то зная количество одного реагента можно посчитать, сколько вступит в реакцию второго реагента или рассчитать выход продукта.
Например, сколько получится хлорида калия, если известно, что соляной кислотой было полностью нейтрализовано 100 г гидроокиси калия? Используя закон эквивалентов, можно записать: 56 • mKCl = 74 • 100. Тогда mKCl = (74 • 100) / 56 = 132 г. А соляной кислоты для нейтрализации 100 гидроокиси калия потребуется 64 г. Если 100 г гидроокись калия нейтрализовать серной кислотой: 2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O, то для этого потребуется совсем другое количество кислоты. Как указывают стехиометрические коэффициенты этой реакции, с 2 молями гидроокиси калия прореагирует 1 моль серной кислоты, а в результате получится 1 моль сернокислого калия и 2 моля воды. Зная, что массы прореагировавших веществ пропорциональны эквивалентным массам, можно записать: 2 •56 • mH2SO4 = 98 • 100, тогда для нейтрализации 100 гидроокиси калия потребуется mH2SO4 = 88 г серной кислоты. При этом образуется 155 г сульфата калия. Количество воды, выделенное в результате нейтрализации 100 г гидроокиси калия соляной или серной кислотами, будет одинаково и равняться 32 г.
Применяет Закон эквивалентов химия (аналитическая, неорганическая, органическая и прочее) для исследования веществ и других экспериментов, основанных на расчете баланса химических реакций. Кроме того, он используется (для составления материальных балансов) при проектировании и эксплуатации лабораторных, опытных или промышленных установок, предназначенных для синтеза химических веществ. Им постоянно пользуются специалисты химических, медицинских, биологических, санитарно-эпидемиологических лабораторий, так как он лежит в основе формул, с помощью которых осуществляется расчет многих результатов анализов.