Задачи по теме

Определение химических формул соединений

Химическая формула соединения показывает качественный (из атомов каких элементов состоит данное вещество) и количественный состав (число атомов каждого элемента, входящее в состав молекулы, или количество атомов элементов, входящее в состав 1 моль вещества). Различают простейшие и молекулярные (истинные) формулы.

Простейшая формула показывает наименьшее соотношение чисел атомов элементов в веществе. Количественное соотношение атомов в веществе часто выражают в виде массовых долей элементов.

Молекулярная формула дает представление об истинном количественном составе молекулы. Для ее определения необходимо знать относительную молекулярную или молярную массы вещества.

В научно-исследовательских лабораториях при получении и исследовании новых веществ их формулы выводят на основе полученных качественных и количественных показателей состава. У исследуемого вещества определяют процентное содержание (массовую долю) элементов и величину, позволяющую вычислить молярную массу соединения (относительную или абсолютную плотность, массу определенного объема при нормальных или других условиях).

Массовые доли элементов в веществе вычисляют по формуле:

, или (1); (1а)

где n(Э) – число атомов элемента в молекуле,

ν(Э) – количество элемента в 1 моль вещества.

Пользуясь формулой (1), можно определить число атомов каждого элемента в молекуле, а по формуле (1а) – количества элементов в 1 моль вещества:

(2); (2а)

В ряде текстов задач по выводу формул соединений отсутствуют данные, необходимые для расчета молярной массы. В этом случае возможно определить лишь простейшую формулу, т.е. найти отношение количеств элементов.

В текстах задач по выводу простейших формул указываются либо массовые доли элементов в процентах, либо массы элементов в данной массе вещества, либо их отношение. Так как массовая доля элемента в процентах показывает, какая масса элемента содержится в 100 г вещества, количество элемента в 100 г можно найти по формуле:

Пример 1.В состав древесной золы входит вещество, называемое поташом. Выведите его формулу, если оно содержит 56,6% калия, 8,7% углерода и 34,8% кислорода.

Решение

(К) = 56,6% (С) = 8,7% (О) = 34,8%		(К) : (С) : (О) = = 1,45 : 0,72 : 2,17 = = 2 : 1 : 3 Ответ: формула поташа К2СО3.
Формула – ?
М(К) = 39 г/моль М(С) = 12 г/моль М(О) = 16 г/моль

Пример 2.Выведите простейшую формулу вещества, состоящего из магния, серы и кислорода в массовом отношении 3 : 4 : 8.

Решение

m(Mg) : m(S) : m(O) = 3 : 4 : 8		(Mg) : (S) : (О) = = 0,125 : 0,125 : : 0,5 = 1 : 1 : 4 Ответ: формула MgSО4.
Формула – ?
М(Mg) = 24 г/моль М(S) = 32 г/моль М(О) = 16 г/моль

В задачах часто молекулярная (или молярная) масса вещества не дается, а указываются величины, позволяющие их вычислить.

Молярную массу вещества можно определить по относительной плотности. Например:

М(в-ва) = 2  (в-ва), тогда(Э) = .

Пример 3. Органическое вещество содержит 84,21% углерода и 15,79% водорода. Плотность его паров по воздуху составляет 3,93. Определите формулу этого соединения.

Решение

(С) = 84,21% (Н) = 15,79% dв = 3,93	(Э) = ; М(в-ва) = 29  dв(в-ва); (Э) =	(С) = = 8 (моль) (Н) = = 18 (моль) Ответ: формула С8Н18.
Формула – ?
М(С) = 12 г/моль М(Н) = 1 г/моль

В задачах может быть указана абсолютная плотность газа. Тогда вычисляют молярную массу газа как произведение плотности и молярного объема:

М(в-ва) = (в-ва)  V_m(в-ва); (Э) =

Пример 4. Определяя состав вещества в лаборатории, установили, что в нем содержится 52,18% углерода, 13,04% водорода и 34,78% кислорода. Плотность паров неизвестного вещества 2,05 г/л. Какова его формула?

Решение

(С) = 52,18% (Н) = 13,04% (О) = 34,78% (в-ва) = 2,05 г/л	(Э) = ; М(в-ва) = (в-ва)  Vm(в-ва); (Э) =	(С) = = 2 (моль) (Н) = = 5,99 6 (моль) (О) = = 0,99 1 (моль) Ответ: формула С2Н6О.
Формула – ? М(С) = 12 г/моль М(Н) = 1 г/моль М(О) = 16 г/моль Vm(газа) = 22,4 л/моль

В более усложненных задачах для вычисления молярной массы в условии указывается масса определенного объема газа при н.у. Из курса физики вам известно, что:

(в-ва) = ; значит М(в-ва) =.

Подставляя это выражение в формулу (2а), получим уравнение, позволяющее рассчитать количество каждого элемента в веществе:

(Э) =

Пример 5. Масса неизвестного газа объемом 200 мл (н.у.) равна 0,232 г. Какова формула этого вещества, если в его состав входит 92,3% углерода и 7,7% водорода?

Решение

(С) = 92,3% (Н) = 7,7% m(газа) = 0,232 г V(газа) = 200 мл	М(в-ва) = (в-ва)  Vm(в-ва) (в-ва) = М(в-ва) = (Э) =	(С) = = 2 (моль) (Н) = = 2 (моль) Ответ: формула С2Н2.
Формула – ?
М(С) = 12 г/моль М(Н) = 1 г/моль Vm(газа) = 22,4 л/моль

В олимпиадных задачах часто объем данной массы газа указывается при определенной температуре и давлении. В этом случае молярная масса вычисляется по уравнению Менделеева – Клапейрона:

pV = , откуда М =. И(Э) = .

Пример 6.В лаборатории в приборе для определения относительных молекулярных масс испарили 0,5532 г полученного вещества, пары которого вытеснили 287 мл воздуха, измеренного при 14^оС и 100 кПа. Вещество состояло из 52,17% углерода, 13,04% водорода и 34,78% кислорода. Какое вещество исследовали в лаборатории?

Решение

(С) = 52,17% (Н) = 13,04% (О) = 34,78% m(в-ва) = 0,5532 г V(газа) = 287 мл tо = 14оС р = 100 кПа	pV = М = (Э) =	(С) = = 2 (моль) (Н) = = 6 (моль) (О) = = 1 (моль) Ответ: формула С2Н6О.
Формула – ?
М(С) = 12 г/моль М(Н) = 1 г/моль М(О) = 16 г/моль R = 8,314 ж/(мольК)

В некоторых задачах на вывод формул даны только относительная молекулярная или молярная массы или величины, позволяющие их рассчитать. В этом случае для определения формулы нужно знать, к какому классу веществ принадлежит данное соединение.

Пример 7.Какова формула алкана, относительная плотность которого по воздуху равна 2,48?

Решение

Алкан dв(алкана) = 2,48	Алканы имеют общую формулу СnH2n+2. Молярную массу алкана можно рассчитать по этой формуле и по относительной плотности. Очевидно, что молярные массы, рассчитанные этими способами, равны друг другу. Исходя из этого, можно составить алгебраическое уравнение: М(СnН2n+2) = 12n + 2n + 2 = 14n + 2; М(СnН2n+2) = 292,48 = 72 (г/моль). 14n+ 2 = 72, откудаn= 5 Ответ: формула С5Н12.
Формула – ?
М(С) = 12 г/моль М(Н) = 1 г/моль (воздуха) = 29 г/моль

Пример 8.Определите молекулярную формулу углеводорода, имеющего плотность по азоту 2,071.

Решение

Углеводород (углеводорода) = 2,071	М(углеводорода) = 282,071 = 57,988  58 (г/моль). Предположим, что соединение имеет формулу СхНу, тогда подставив значения молярных масс, получим: 12х + у = 58. Общие формулы: – алканов – СnН2n+2 – алкенов – СnН2n – алкинов - СnН2n-2 Значит, у 2х + 2.
Формула – ?
М(С) = 12 г/моль М(Н) = 1 г/моль М(N2) = 28 г/моль
Тогда 58 – 12х 2х + 2, откуда х4. Если х > 4, то есть 5, то неравенство примет вид: (60 + у) > 58, что не соответствует уравнению 12х + у = 58. Значит х = 4, а у = 10. Ответ: формула углеводорода С4Н10.

Часто можно столкнуться с задачами на определение молекулярной формулы вещества по результатам его химических превращений, в частности, по продуктам сгорания.

При этом находят количества элементов, входящих в состав вещества, в продуктах реакции, а затем – отношение этих количеств.

Пример 9.При сжигании 0,29 г газообразного вещества получили 448 мл углекислого газа (н.у.) и 0,45 г паров воды. Плотность вещества по водороду равна 29. Определите молекулярную формулу вещества.

Решение

m(в-ва) = 0,29 г V(СО2) = 448 мл m(Н2О) = 0,45 г (в-ва) = 29	М = 2 	М(в-ва) = 2  29 = 58 (г/моль) (в-ва) = 0,29 : 58 = 0,005 (моль) (СО2) = (С) = 0,448 : 22,4 = 0,02 (моль) (Н) = 2(Н2О) = 2  (0,45 : 18) = 0,05 (моль) m(С) = 12  0,02 = 0,24 (г) m(Н) = 1  0,05 = 0,05 (г) m(С) + m(Н) = 0,24 + 0,05 = 0,29 (г) = m(в-ва) Значит, вещество – углеводород. (С) : (Н) = 0,02 : 0,05 = 2 : 5, значит простейшая формула С2Н5, а истинная – (С2Н5)n 29n = 58, откуда n = 2. Ответ: формула вещества С4Н10.
Формула – ?
М(Н2О) = 18 г/моль М(Н2) = 2 г/моль Vm(газа) = 22,4 л/моль

Для решения задач на вывод формул по результатам химических превращений иногда можно использовать закон объемных отношений Гей-Люссака (если в реакции участвуют газы) и закон сохранения массы.

Пример 10.Для полного сжигания 1 л неизвестного газа потребовалось 2 л кислорода. В результате реакции получилось 1 л азота и 2 л углекислого газа. Определите формулу сгоревшего вещества.

Решение

V(в-ва) = 1 л V(О2) = 2 л V(N2) = 1 л V(СО2) = 2 л	По закону объемных отношений: (в-ва) : (О2) : (N2) : (СО2) = V(в-ва) : V(О2) : V(N2) : V(СО2) = = 1 : 2 : 1 : 2. На этой основе составляем схему реакции: В-во + 2 О2  N2 + 2 СО2. По закону сохранения массы определяем, что в состав неизвестного вещества входят углерод и азот. Кислорода в нем нет, т. к. весь кислород, вступивший в реакцию, вошел в состав углекислого газа. Из схемы реакции видно, что в состав 1 моль вещества входят 2 моль азота и 2 моль углерода. Ответ: формула сгоревшего вещества С2N2.
Формула – ?

Задачи на вывод формул веществ по результатам химических превращений могут быть самыми разнообразными.