14. Определение молекулярных масс соединений
Молекулярные массы газообразных или легколетучих веществ можно определить с помощью закона Авогадро (напоминаем его формулировку: равные объемы газов при одинаковой температуре и одинаковом давлении, содержат равное число молекул), из которого следует, что массы равных объемов двух газов относятся друг к другу, как их молекулярные или численно равные им молярные массы:
=
Отношение m1 : m2 называется относительной плотностью первого газа по второму и обозначается символом D:
D
=
=
,
Из него следует:
M1 = D∙M2,
т.е. молекулярная масса газа равна его плотности по отношению ко второму газу, умноженной на молекулярную массу второго газа.
Плотность газов обычно определяют по отношению к водороду или воздуху. Молекулярная масса водорода равна 2, а средняя молекулярная масса воздуха 29, поэтому уравнения для расчета молекулярной массы имеют вид:
Mr
=
Mr
=
Пример . Плотность некоторого газа по воздуху равна 1,517. Определите молекулярную массу газа.
Решение.
Mr = 29·1,517 = 44 (а.е.м.)
Молярную массу газообразного вещества (а следовательно, и его относительную молекулярную массу) можно определить по молярному объему.
Пример . Определите молярную массу газа, если при н.у. 0,180 г этого газа занимают объем 0,126 л.
Решение. 1) При н.у. один моль любого газа занимает объем 22,4 л. Следовательно, вычислив массу 22,4 л данного газа, мы узнаем его молярную и молекулярную массу. Рассуждаем так:
0,180 г газа занимает объем 0,126 л
x г газа занимает объем 22,4 л
2) Составляем и решаем пропорцию:
= 32,0 г
Следовательно, молярная масса газа равна 32,0 г/моль, а молекулярная масса 32,0 (а.е.м.).
Молярную и молекулярную массу газа или легколетучего соединения можно вычислить по уравнению Клайперона – Менделеева, если свойства этого газа не очень сильно отличаются от свойств идеального газа.
Пример . Вычислите молярную массу ацетона, если масса 0,5 л его паров при 87 0С и давлении 96 кПа равна 0,93 г.
Решение. Из уравнения Клайперона – Менделеева выражаем и вычисляем М, подставляя массу паров в граммах (0,93 г), давление в паскалях (96000 Па), объем в м3 (0,5·10-3 м3) и температуру в абсолютных градусах (360 К):
PV
=
RT;
M
=
=
= 58 г/моль
Для твердых и жидких веществ – неэлектролитов, растворяющихся без диссоциации молекул на ионы, молекулярная масса определяется по свойствам их растворов: по понижению температуры замерзания раствора (криоскопический метод), по повышению температуры кипения (эбуллиоскопический метод), по понижению давления пара над раствором (тоноскопический метод) и по осмотическому давлению (осмотический метод). Эти методы рассматриваются при изучении растворов.
15. Установление формул соединений
Формулы соединений показывают, какие элементы и в каком количестве входят в состав вещества. Различают формулы простейшие и истинные. Простейшая формула выражает соотношение атомов в формуле соединения наименьшими целыми числами, которые определяются по результатам анализа состава соединения.
Пример . Определите простейшую формулу соединения, в состав которого входят калий (31,90 %), хлор (28,93 %) и кислород (39,17 %).
Решение. 1) Обозначаем числа атомов калия, хлора и кислорода в соединении как x, y и z; тогда его формула имеет вид KxClyOz. Атомные массы элементов равны 39,098 (калий), 35,453 (хлор) и 15,999 (кислород). Принимаем массу соединения произвольно равной 100 г; тогда массы калия, хлора и кислорода, входящие в состав соединения, равны 31,90 г, 28,93 г и 39,17 г, соответственно.
2) Вычисляем количество каждого элемента в 100 г соединения:
x
=
= 0,816 моль;y
=
= 0,816 моль;z
=
= 2,448 моль
3) Выражая отношение количеств элементов в соединении целыми числами:
x : y : z = 0,816 : 0,816 : 2,448 = 1 : 1 : 3,
и получаем простейшую формулу соединения: KClO3 (хлорат натрия).
Для неорганических соединений немолекулярного строения простейшая формула является истинной. В случае молекулярных соединений, в особенности органических, истинная (молекулярная) формула может быть сложнее, чем простейшая: истинная формула содержит числа атомов, кратные их числам в простейшей формуле. В этом случае истинная формула соединения устанавливается по его молекулярной массе.
Пример . Газообразное соединение содержит 82,64 % углерода и 17,36 % водорода. Плотность его по водороду 29. Определите истинную формулу соединения.
Решение. 1) Записываем формулу соединения как CxHy. Принимаем массу соединения 100 г; тогда масса углерода составит 82,64 г, а масса водорода 17,36 г.
2) Вычисляем количества каждого элемента в соединении и выражаем их целыми числами:
x
=
= 6,88 моль;y
=
= 17,36 моль;
x : y = 6,88 : 17,36 = 2 : 5
Таким образом, простейшая формула соединения C2H5. Этой формуле соответствует молекулярная масса 29.
3) По условию задачи молекулярная масса M = 2·29 = 58. Следовательно, истинная формула соединения C4H10.