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 углерода и 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 соединения или – 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:у 1:1,5 2:3.

Фактически найдены индексы в химической формуле соединения алюминия и серы: х 2 моль ,у 3 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

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

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:z n( ):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 .