Пример 3. Определение формулы химического вещества

1.При полном сгорании 11,5 г органического вещества, состоящего из углерода, водорода и кислорода, образовалось 11,2 л диоксида углерода (объем измерен при н.у.) и 13,5 мл воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 23. Выведите молекулярную формулу органического вещества и напишите уравнение реакции его горения.

Решение. Напишем схему реакции горения органического вещества, обозначив его состав в виде условной формулы:

.

Согласно закону сохранения массы, масса и количество вещества каждого из атомов элементов до и после реакции остаются неизменными. Следовательно, количество вещества углерода ) и водорода), содержащиеся в диоксиде углеродаи в воде, должны быть такими же, как и в исходном органическом соединении.

Рассчитаем количество вещества диоксида углерода и воды, используя формулы:

;

.

Сравнивая составы молекул , мы видим, что в них, а. Следовательно,.

Теперь рассчитаем физическую массу атомов углерода и водорода в заданной массе неизвестного органического соединения:

;

.

Сумма масс углерода и водорода (6 + 1,5 = 7,5) меньше массы всего вещества, значит, оставшаяся часть принадлежит кислороду: . Это дает нам возможность рассчитать количество вещества кислорода в неизвестном органическом соединении:

.

Мы получили значения индексов в искомой формуле органического соединения: . Но в формулах индексы принято обозначать целыми числами, поэтому разделим найденные значения на наименьшее из них (0,25), и подставим полученный результат в химическую формулу, она называется простейшей:;;и. Относительная молекулярная масса этого соединения будет равна.

Чтобы найти истинную формулу вещества, необходимо рассчитать его молярную массу, используя данные задачи и второе следствие из закона Авогадро. Расчет показывает: . Поскольку молярная масса вещества и молекулярная масса атомов в простейшей формуле численно совпали, значит, простейшая формула является истинной.

Ответ: истинная формула химического соединенияили– этиловый спирт или этанол. Уравнение реакции горения этанола

.

2. Экспериментальным путем установлено, что 1,35 массовых долей алюминия соединяются с 2,40 массовыми долями серы. Выведите формулу химического соединения алюминия и серы и назовите его.

Решение. Массовой долей (обозначается греческой буквой омегаω) элемента в химическом соединении называют отношение физической массы атомов этого элемента к физической массе молекул химического соединения. Массовой долей элемента в молекуле химического соединения является отношение атомной массы всех атомов этого элемента к молекулярной массе молекулы химического соединения.

Применительно к нашей задаче это утверждение запишется в виде следующих выражений для массовых долей алюминия ω() и серыω() в химическом соединении общей формулы:

ω() и ω() .

Преобразуем найденные выражения относительно ) и приравняем их правые части:

илих:у .

Подставим в это выражение данные условия задачи и значения относительных атомных масс алюминия и серы из таблицы Д. И. Менделеева. Получим:

х:у1:1,52:3.

Фактически найдены индексы в химической формуле соединения алюминия и серы: х2 моль ,у3 моль, и тогда искомая формула– алюминия сульфид.

Ответ:– алюминия сульфид.

3. Определите молекулярную формулу газообразного предельного углеводорода, плотность которого равна 1,97 г/л, а массовая доля углерода составляет 0,82.

Решение. Сначала следует уяснить, что в данной задаче речь идет о плотности газа, равной отношению его физической массыmк объемуV, занимаемому газом при заданных условиях:ρ .Для количества вещества газа 1моль его плотность может быть рассчитана по формулеρ , гдеМ– молярная масса,– молярный объем.

В задаче речь идет о предельном углеводороде. Мы знаем, что общая формула предельных углеводородов - алканов , гдеn– количество атомов углерода в молекуле. В предыдущей задаче мы уже указали физический смысл понятия массовой доли атомов, по аналогии и в этой задачеω().

Если углеводород-газ находится при нормальных условиях, то его молярный объем будет равен  , и, следовательно, молярная масса

) ρ·1,97()·22,4() .

Молярная масса и относительная молекулярная масса вещества численно равны, следовательно, ) . Подставим это значение в выражение дляω() и решим его относительноn, зная, чтоA_r() 12. Получим

n 3.

Тогда 2n и искомая формула углеводорода будет– газ пропан.

Ответ: молекулярная формула углеводорода– пропан.

4.Массовая доля кислорода в оксиде элемента (6) равна 60 %. Определите, какой элемент образует оксид, и напишите химическую формулу вещества.

Решение. Согласно закону эквивалентов, вещества взаимодействуют между собой в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Следовательно, для искомого оксида можно записать, используя закон эквивалентов: 

В этом выражении ω() иω() – массовые доли неизвестного элемента и кислорода в оксиде,() и() – молярные массы эквивалентов неизвестного элемента и кислорода в сложном соединении. Преобразуем полученное выражение относительно молярной массы эквивалентов искомого элемента, получим

() .

Поскольку сумма массовых долей в бинарном соединении, выраженная в процентах, составляет 100%, то ω() . Нам также известна величина(О) 8 . Подставим найденные значения в уравнение для(), найдем:

() .

Зная молярную массу эквивалентов элемента в его соединении и валентность, можем определить молярную массу атомов искомого элемента по формуле (14):

М() ()·В 5,3()·6 .

Из таблицы Д. И. Менделеева найдем, что элементом, которому соответствует относительная атомная масса 32, является сера. Следовательно, искомым химическим соединением будет оксид серы (6) .

Ответ: оксид образует сера, химическая формула ее оксида в степени окисления 6 будет.

5. При сгорании хлорзамещенного органического вещества, в состав которого входят атомы углерода, водорода и хлора, получили 112 мл оксида углерода (4) (объем измерен при нормальных условиях) и 0,09 мл воды. Для определения хлора из такой же навески получен серебра хлорид, масса которого составила 1,435 г. Относительная плотность паров органического вещества по воздуху равна 5,9. Определите химическую формулу сложного органического вещества и назовите его.

Решение. Запишем простейшую формулу искомого вещества в виде.Схема процесса, по которому необходимо произвести расчеты, выглядит следующим образом:

(x 2y)z x z.

Cучетом закона сохранения массы и количества вещества атомов каждого химического элемента, можно констатировать следующее:n()n();n()2n();n()n().

Определяем количество вещества атомов углерода, водорода и хлора в образце, используя данные условия задачи: n()n()0,005 моль;

n()2n()0,01 моль;

n() n() 0,01 моль.

Находим соотношение коэффициентов х,уиzв простейшей формуле:х:у:zn():n():n()0,005 моль:0,01 моль:0,01 моль. Разделив правую часть равенства на меньшее значение (0,005 моль), получим.

Следовательно, простейшая формула соединения . Относительная молекулярная масса молекулы, рассчитанная по этой формуле, составит

).

Для определения истинной формулы сложного вещества используем величину относительной плотности его паров по воздуху, зная, что средневзвешенное значение молярной массы воздуха :

.

Сравнивая количественные значения относительной молекулярной массы простейшей формулы и молярной массы истинной формулы, мы видим, что последняя величина в два раза больше (), следовательно, индексы при химических символах элементов в формуле необходимо удвоить. В результате получаем истинную формулу вещества– это соединение тетрахлорэтан.

Ответ: сложное органическое вещество – тетрахлорэтан, его формула.