Peso equivalente

En química, peso equivalente (también conocido como gramo equivalente o masa equivalente) es la masa de un equivalente, que es la masa de una sustancia determinada que se combinará con o desplazará una cantidad fija de otra sustancia. El peso equivalente de un elemento es la masa que combina con o desplaza 1.008 gramos de hidrógeno o 15.99 gramos de oxígeno o 35,5 gramos de cloro. Estos valores corresponden al peso atómico dividido por el valence habitual; para el gas de oxígeno como ejemplo que es 31.98 g.

Para reacciones ácido-base, el peso equivalente de un ácido o base es la masa que suministra o reacciona con un mol de cationes de hidrógeno (H⁺
>). Para reacciones redox, el peso equivalente de cada reactivo suministra o reacciona con un mol de electrones (e^-) en una reacción redox.

El peso equivalente tiene unidades de masa, a diferencia del peso atómico, que ahora se utiliza como sinónimo de masa atómica relativa y no tiene dimensiones. Los pesos equivalentes se determinaron originalmente mediante experimentos, pero (en la medida en que todavía se utilizan) ahora se derivan de masas molares. El peso equivalente de un compuesto también se puede calcular dividiendo la masa molecular por el número de cargas eléctricas positivas o negativas que resultan de la disolución del compuesto.

En la historia

Los primeros pesos equivalentes para ácidos y bases fueron publicados por Carl Friedrich Wenzel en 1777. Jeremias Benjamin Richter preparó un conjunto más grande de tablas, posiblemente de forma independiente, a partir de 1792. Sin embargo, ni Wenzel ni Richter tenían una única referencia. punto para sus tablas, por lo que tuvieron que publicar tablas separadas para cada par de ácido y base.

La primera tabla de pesos atómicos de John Dalton (1808) sugirió un punto de referencia, al menos para los elementos: tomar el peso equivalente del hidrógeno como una unidad de masa. Sin embargo, la teoría atómica de Dalton estaba lejos de ser aceptada universalmente a principios del siglo XIX. Uno de los mayores problemas fue la reacción del hidrógeno con el oxígeno para producir agua. Un gramo de hidrógeno reacciona con ocho gramos de oxígeno para producir nueve gramos de agua, por lo que el peso equivalente de oxígeno se definió como ocho gramos. Dado que Dalton supuso (incorrectamente) que una molécula de agua constaba de un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno, esto implicaría un peso atómico de oxígeno igual a ocho. Sin embargo, al expresar la reacción en términos de volúmenes de gas siguiendo la ley de Gay-Lussac de combinar volúmenes de gas, dos volúmenes de hidrógeno reaccionan con un volumen de oxígeno para producir dos volúmenes de agua, lo que sugiere ( correctamente) que el peso atómico del oxígeno es dieciséis. El trabajo de Charles Frédéric Gerhardt (1816–56), Henri Victor Regnault (1810–78) y Stanislao Cannizzaro (1826–1910) ayudó a racionalizar esta y muchas paradojas similares, pero el problema seguía siendo tema de debate en el Congreso de Karlsruhe. (1860).

Sin embargo, muchos químicos encontraron que los pesos equivalentes eran una herramienta útil incluso si no suscribían la teoría atómica. Los pesos equivalentes fueron una generalización útil de la ley de proporciones definidas de Joseph Proust (1794) que permitió que la química se convirtiera en una ciencia cuantitativa. El químico francés Jean-Baptiste Dumas (1800-1884) se convirtió en uno de los oponentes más influyentes de la teoría atómica, después de haberla abrazado anteriormente en su carrera, pero era un firme partidario de los pesos equivalentes.

En la medida en que las tablas atómicas se han elaborado en parte siguiendo las leyes de Wenzel y Richter, en parte por simples especulaciones, han dejado muchas dudas en lo mejor de las mentes. Fue escapar de este problema que se intentó deducir los pesos atómicos de la densidad de los elementos en el estado del vapor, de su calor específico, de su forma cristalina. Pero no se debe olvidar que el valor de las figuras deducidas de estas propiedades no es en lo menos absoluto... Para resumir, ¿qué queda de esta ambiciosa excursión que nos hemos permitido en el reino de los átomos? Nada, nada necesario al menos. Lo que nos queda es la convicción de que la química se perdió allí, como siempre lo hace cuando abandona el experimento, trató de caminar sin guía a través de las sombras. Con experimento como guía, encuentras los equivalentes de Wenzel, los equivalentes de Mitscherlich, no son más que grupos moleculares. Si tuviera el poder, borraría la palabra 'atómago' de la ciencia, persuadía que supera la evidencia del experimento; y, en química, nunca debemos superar la evidencia del experimento.

—Jean-Baptiste Dumas, conferencia en el Collège de France, 1843/44

Los pesos equivalentes no estaban exentos de problemas. Para empezar, la escala basada en el hidrógeno no era especialmente práctica, ya que la mayoría de los elementos no reaccionan directamente con el hidrógeno para formar compuestos simples. Sin embargo, un gramo de hidrógeno reacciona con 8 gramos de oxígeno para dar agua o con 35,5 gramos de cloro para dar cloruro de hidrógeno: por tanto, 8 gramos de oxígeno y 35,5 gramos de cloro pueden considerarse equivalentes a un gramo de hidrógeno para la medición de pesos equivalentes. Este sistema se puede ampliar aún más a través de diferentes ácidos y bases.

Mucho más grave era el problema de los elementos que forman más de un óxido o series de sales, que tienen (en la terminología actual) diferentes estados de oxidación. El cobre reaccionará con el oxígeno para formar óxido cuproso rojo ladrillo (óxido de cobre (I), con 63,5 g de cobre por 8 g de oxígeno) o óxido cúprico negro (óxido (II) óxido, con 32,7 g de cobre por 8 g de oxígeno), por lo que tiene dos pesos equivalentes. Los partidarios de los pesos atómicos podrían recurrir a la ley de Dulong-Petit (1819), que relaciona el peso atómico de un elemento sólido con su capacidad calorífica específica, para llegar a un conjunto único e inequívoco de pesos atómicos. La mayoría de los partidarios de los pesos equivalentes (que incluían a la gran mayoría de los químicos antes de 1860) simplemente ignoraron el inconveniente de que la mayoría de los elementos exhibían múltiples pesos equivalentes. En lugar de ello, estos químicos se habían decidido por una lista de lo que universalmente se llamaba "equivalentes" (H = 1, O = 8, C = 6, S = 16, Cl = 35,5, Na = 23, Ca = 20, etc.). Sin embargo, estos "equivalentes" no eran equivalentes en el sentido original o moderno del término. Dado que representaban números adimensionales que para cualquier elemento dado eran únicos e inmutables, en realidad eran simplemente un conjunto alternativo de pesos atómicos, en el que los elementos de valencia par tienen pesos atómicos la mitad de los valores modernos. Este hecho no fue reconocido hasta mucho más tarde.

El golpe mortal para el uso de pesos equivalentes para los elementos fue la presentación de Dmitri Mendeleev de su tabla periódica en 1869, en la que relacionaba las propiedades químicas de los elementos con el orden aproximado de sus pesos atómicos. Sin embargo, se siguieron utilizando pesos equivalentes para muchos compuestos durante otros cien años, particularmente en química analítica. Se podían tabular los pesos equivalentes de reactivos comunes, simplificando los cálculos analíticos en los días previos a la disponibilidad generalizada de calculadoras electrónicas: tales tablas eran comunes en los libros de texto de química analítica.

Uso en química general

El uso de pesos equivalentes en química general ha sido reemplazado en gran medida por el uso de masas molares. Los pesos equivalentes pueden calcularse a partir de masas molares si se conoce bien la química de la sustancia:

• ácido sulfúrico tiene una masa molar de 98.078(5) g mol⁻¹, y suministra dos lunares de iones de hidrógeno por topo de ácido sulfúrico, por lo que su peso equivalente es 98.078(5) g mol⁻¹/2 eq mol⁻¹ = 49.039(3) g eq⁻¹.
• permanganato de potasio tiene una masa molar de 158.034(1) g mol⁻¹, y reacciona con cinco lunares de electrones por topo de permanganato de potasio, por lo que su peso equivalente es 158.034(1) g mol⁻¹/5 eq mol⁻¹ = 31.6068(3) g eq⁻¹.

Históricamente, los pesos equivalentes de los elementos se determinaron a menudo estudiando sus reacciones con oxígeno. Por ejemplo, 50 g de zinc reaccionarán con oxígeno para producir 62. 24 g de óxido de zinc, lo que implica que el zinc ha reaccionado con 12.24 g de oxígeno (de la Ley de conservación de masa): el peso equivalente del zinc es la masa que reaccionará con ocho gramos de oxígeno, por lo tanto 50 g × 8 g/12.24 g = 32.7 g.

Algunos libros de texto de química general contemporáneos no mencionan pesos equivalentes. Otros explican el tema, pero señalan que es simplemente un método alternativo de hacer cálculos usando topos.

Uso en análisis volumétrico

Al elegir estándares primarios en química analítica, los compuestos con pesos equivalentes más altos generalmente son más deseables porque se reducen los errores de pesaje. Un ejemplo es la estandarización volumétrica de una solución de hidróxido de sodio que se ha preparado a aproximadamente 0,1 mol dm⁻³. Es necesario calcular la masa de un ácido sólido que reaccionará con unos 20 cm³ de esta solución (para una valoración con bureta de 25 cm³): sólido adecuado Los ácidos incluyen dihidrato de ácido oxálico, ftalato ácido de potasio y yodato ácido de potasio. Los pesos equivalentes de los tres ácidos son 63,04 g, 204,23 gy 389,92 g respectivamente, y las masas requeridas para la estandarización son 126,1 mg, 408,5 mg y 779,8 mg respectivamente. Dado que la incertidumbre de medición en la masa medida en una balanza analítica estándar es ±0,1 mg, la incertidumbre relativa en la masa de dihidrato de ácido oxálico sería aproximadamente una parte en mil, similar a la incertidumbre de medición en la medición de volumen en la titulación. . Sin embargo, la incertidumbre de la medición en la masa de yodato de hidrógeno y potasio sería cinco veces menor, porque su peso equivalente es cinco veces mayor: tal incertidumbre en la masa medida es insignificante en comparación con la incertidumbre en el volumen medido durante la titulación (ver ejemplo abajo).

Como ejemplo, supongamos que 22,45±0,03 cm³ de la solución de hidróxido de sodio reaccionan con 781,4±0,1 mg de yodato ácido de potasio. Como el peso equivalente del yodato de hidrógeno y potasio es 389,92 g, la masa medida es 2,004 miliequivalentes. Por tanto, la concentración de la solución de hidróxido de sodio es 2,004 meq/0,02245 L = 89,3 meq/L. En química analítica, una solución de cualquier sustancia que contenga un equivalente por litro se conoce como solución normal (abreviada N), por lo que el ejemplo de solución de hidróxido de sodio sería 0,0893 N. La incertidumbre relativa (u_r) en la concentración medida se puede estimar suponiendo una distribución gaussiana de las incertidumbres de medición:

ur2=()u()V)V)2+()u()m)m)2=()0,0322.45)2+()0.1781.4)2=()0,001336)2+()0,000128)2ur=0,00134u()c)=urc=0.1 meq/L{displaystyle {begin{aligned}u_{rm} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {c}} {c} {c} {c} {c}} {c}cc} {c}ccc} {c}}ccccc}}cccccc}}c}cccccccccc}cc}cccccccc}cccccccc}ccccccccccccccc}ccc}ccc}cccc}}ccccccccccc}ccc

Esta solución de hidróxido de sodio se puede utilizar para medir el peso equivalente de un ácido desconocido. Por ejemplo, si toma 13.20±0.03 cm³ de la solución de hidróxido de sodio para neutralizar 61.3±0.1 mg de un ácido desconocido, el peso equivalente del ácido es:

peso equivalente=mácidoc()NaOH)Veq=52.0± ± 0.1 g{displaystyle {text{equivallent weight}}={frac {fnh} {fnh} {fnh}} {c}} {cc}} {c}} {c} {c}} {c}}}} {c}}} {ccc}}} {c}}}} {c} {c}}}} {c}}}} {c}}} {c}}}}}}}}}}}} {c}}} {c}}}} {c} {c} {c}}}}} {c}} {c}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {c}}}}} {c} {c} {c} {c}} {c}}}}}} {c}}}}}} {c}}}}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}} V-{ce} {}}=52.0pm 0.1 {ce {}}

Debido a que cada topo de ácido sólo puede liberar un número entero de lunares de iones de hidrógeno, la masa molar del ácido desconocido debe ser un número entero de 52.0±0.1 g.

Uso en análisis gravimétrico

El término “peso equivalente” tenía un sentido distinto en el análisis gravimétrico: era la masa de precipitado que corresponde a un gramo de analito (la especie de interés). Las diferentes definiciones surgieron de la práctica de citar los resultados gravimétricos como fracciones de masa del analito, a menudo expresadas como porcentaje. Un término relacionado era el factor de equivalencia, un gramo dividido por el peso equivalente, que era el factor numérico por el cual había que multiplicar la masa de precipitado para obtener la masa de analito.

Por ejemplo, en la determinación gravimétrica de níquel, la masa molar del precipitado de bis(dimetilglioximato)níquel [Ni(dmgH)₂] es 288,915(7) g mol⁻¹, mientras que la masa molar del níquel es 58,6934(2) g mol⁻¹: por lo tanto 288.915(7)/58.6934(2) = 4.9224(1) gramos de precipitado de [Ni(dmgH)₂] equivale a un gramo de níquel y el factor de equivalencia es 0.203151(5) . Por ejemplo, 215,3±0,1 mg de precipitado de [Ni(dmgH)₂] equivale a (215,3±0,1 mg) × 0,203151(5) = 43,74±0,2 mg de níquel: si el tamaño de muestra original fuera 5,346±0,001 g, el contenido de níquel en la muestra original sería 0,8182±0,0004%.

El análisis gravimétrico es uno de los métodos comunes de análisis químico más precisos, pero requiere mucho tiempo y trabajo. Ha sido reemplazada en gran medida por otras técnicas, como la espectroscopia de absorción atómica, en la que la masa del analito se lee a partir de una curva de calibración.

Uso en química de polímeros

En química de polímeros, el peso equivalente de un polímero reactivo es la masa de polímero que tiene un equivalente de reactividad (a menudo, la masa de polímero que corresponde a un mol de grupos reactivos de cadenas laterales). Se usa ampliamente para indicar la reactividad de polioles, isocianatos o resinas epoxi termoestables que sufrirían reacciones de reticulación a través de esos grupos funcionales.

Es particularmente importante para los polímeros de intercambio iónico (también llamados resinas de intercambio iónico): un equivalente de un polímero de intercambio iónico intercambiará un mol de iones con carga simple, pero solo medio mol de iones con carga doble.

Sin embargo, dada la disminución en el uso del término "peso equivalente" en el resto de la química, se ha vuelto más habitual expresar la reactividad de un polímero como la inversa del peso equivalente, es decir, en unidades de mmol/g o meq/g.