Вывод формул химических соединений

Для установления истинности формулы в задаче могут присутствовать дополнительные сведения различного характера. Чаще всего это молярная масса вещества (в явной или неявной форме) и/или описание превращений, в которые оно вступает.

Пример: 12

При сгорании 0,88 г некоторого органического соединения образовалось 0,896 л углекислого газа и 0,72 г воды. Плотность пара данного соединения по водороду 44. Какова истинная формула органического соединения?

 

Решение:

 

Прежде всего, уточним, из каких элементов состоит молекула исследуемого вещества. Поскольку в продуктах горения содержится и , то сделаем вывод, что сгоревшее вещество содержит углерод и водород. Найдем их количество.

 

22,4 л образуется из 12 г

 

0,896 л —―

 

= 0,48 г

 

18 г образуется из 2 г

 

0,72 г —―

= 0,08 г

 

Выясним, содержится ли в исследуемом веществе кислород.

Сложим найденные массы водорода и углерода
0,48 + 0,08 = 0,56 г и сопоставим с исходной массой сгоревшего вещества = 0,88 г. Так как , то вещество содержит кислород

г.

 

Найдем простейшую формулу в виде

 

 

 

Простейшая формула .

Истинную формулу будем искать в виде .

 

.

 

г/моль.

 

Истинную мольную массу найдем, используя относительную плотность органического соединения по водороду. Относительная плотность одного газа (А) по другому (В) находится по формуле.

 

,

 

следовательно, ,

где 2 – мольная масса водорода, г/моль;

- относительная плотность органического соединения по водороду.

= 44·2=88 г/моль

Тогда

 

n= 88/44=2, следовательно, истинная формула вещества:

 

(C₂H₄O)₂ или C₄H₈O₂

 

Пример 13

Задача А. И. Жирова (9-3) IV этап ВОШ по Химии 2004 г.

В таблице приведены составы четырех бинарных соединений, имеющих одинаковый качественный состав.

 

Состав Соединение
I	93,10	6,90
II	87,08	12,92
III	83,49	16,51
IV	81,80	18,20

 

1. Определите качественный состав соединений (А, В).

2. Определите состав соединений I–IV (формулы).

 

1. Анализ условия задачи

В условии сказано, что все соединения состоят из двух одинаковых элементов. Так как , можно предположить, что , следовательно, А скорее всего неметалл, находящийся во 2-ом периоде, либо – водород, поэтому их формулы можно представить в виде:

I В_xА

II В_yА

III В_zА

IV В_wА

Таким образом, А – обязательно неметалл, а В может быть как металлом, так и неметаллом.

 

2. Нахождение коэффициентов х, у, z, w

Для их нахождения воспользуемся законом кратных отношений: «Если два элемента могут образовывать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях отнесённые к массовой доли другого относятся как небольшие целые числа».

 

 

.

 

Разделим на наибольшее число 13,49, так как в реальных соединениях количество В не одинаковое, а увеличивается от первого соединения к четвертому.

 

или

 

.

 

3. Определение атомной массы элемента В

Определение элемента В будем производить перебором возможных неметаллов А. Их немного. Это Н, F, имеющие валентность 1, и О, имеющий валентность 2. Остальные неметаллы второго периода не могут образовывать более двух соединений с одним элементом.

Рассмотрим одновалентные неметаллы, для них формулы соединений примут вид:

I ВА

II В_0,5А или BА₂

III В_3/8А или В₃А₈

IV В_1/3А или BА₃.

Рассчитаем атомную массу элемента В, используя данные для I-го соединения.

Если А – «Н», тогда

А_В = 13,49·А_Н = 13,49·1 = 13,49, так как

,

 

,

 

.

 

Такого элемента нет.

Если А – «F», тогда

А_В = 13,49·19 = 256,31 – такого элемента нет.

Рассмотрим двухвалентный неметалл – кислород. Для него формулы соединений примут вид.

I В₂А

II BА

III В₃А₄

IV В₂А₃, так как для двухвалентного кислорода соединения будут иметь вид В₂А_n, отсюда следует, что В₂А_n = В_2·1/nА.

Рассмотрим атомную массу элемента В, исходя из данных для II-го соединения

А_В = 6,74·16 = 107,84 – это Ag (серебро).

Ответ I Ag₂O

II AgO

III Ag₃O₄

IV Ag₂O₃.

 

Пример 14

Задача (9-1) А. И. Жирова 2004 г. IV этап ВОШ по Химии

Минерал муассанит был назван в честь французского химика Анри Муассана. Муассанит обладает высокой химической устойчивостью к большинству химических реагентов и имеет высокий коэффициент преломления. В современных ювелирных изделиях вставки ограненного муассанита заменяют бриллианты. «… Но путем сплавления с едкими щелочами в серебряном тигле переведение в раствор легко удаляется…» (F. Tredwell, «Курс аналитической химии» т. 1, стр. 319, Одесса, 1904.)

Навеску 1,000 г тонкоизмельченного муассанита сплавили в серебряном тигле с 7,0 г моногидрата гидроксида натрия. Полученный плав полностью растворили в 50 мл воды. При осторожном добавлении к полученному раствору 30 мл 20%-ного раствора соляной кислоты (плотность 1,1 г/см³) выделилось 0,56 л (н.у.) газа, плотность которого по воздуху составляет 1,52, и выпал белый осадок. Осадок был отделен фильтрованием, промыт дистиллированной водой и прокален при 900 °С. Его масса после прокаливания составила 1,500 г. Весь фильтрат был упарен досуха, масса сухого остатка составила 7,05 г.

1. определите состав муассанита (формула).

2. Напишите уравнение реакции перевода муассанита в растворимое состояние (сплавление с щелочами). Какие газообразные продукты могут выделяться при этой реакции?

3. Почему на Ваш взгляд для сплавления удобнее использовать моногидрат гидроксида натрия?

4. Напишите уравнения реакций, происходящих при добавлении кислоты к анализируемому раствору.

5. Напишите уравнения реакций получения синтетического аналога муассанита в лабораторных условиях.

 

Решение:

1. Анализ условия задачи

Так как минерал муассанит не растворятся при обычных условиях ни в кислотах, ни в щелочах, а перевод его в раствор возможен только после сплавления с щелочью, можно предположить, что он образован либо только из неметаллов, либо из амфотерного металла, образующего катион. Представим химическую формулу минерала А_хВ_у. Схему анализа представим в виде

 

А_хВ_у + NaOH·H₂O → ПЛАВ + Н₂О → Раствор без осадка

и газовыделения + HCl → газ осадок + раствор прокаленный осадок + сухой остаток

2. Рассчитаем молярную массу и количество выделившегося газа.

 

D_возд = 1,52 М_газа = 1,52·29 = 44,08 г/моль

 

.

Газы, имеющие молярную массу 44 г/моль, это СО₂, N₂O, C₃H₈, CH₃COH. Из этих газов наиболее подходит СО₂, так как из щелочных плавов действием HCl можно выделить только СО₂.

 

3. Определим вещество в избытке в реакции плава с раствором HCl.

 

3.1. Рассчитаем количество молей моногидрата гидроксида натрия

 

.

3.2. Рассчитаем количество молей добавленной кислоты

 

.

 

.

 

Предположим, что сухой остаток состоит только из NaCl, тогда

 

,

 

как видим = , отсюда следует, что весь сухой остаток состоит только из NaCl, следовательно, элементы, образовавшие минерал перешли в газ СО₂ и осадок.

При сплавлении минерала со щелочью последняя всегда берется в избытке, иначе сплав полностью не растворится в воде, поэтому элементы, образовавшие минерал перешли в анионы солей натрия. Для образования 0,12 молей NaCl достаточно было 0,12 молей НCl, следовательно, НCl была взята в избытке, поэтому весь углерод, содержащийся в минерале выделился в виде СО₂.

 

4. определение качественного и количественного состава минерала.

 

В минерале не может быть аниона СО₃^2-, так как карбонаты хорошо растворяются в кислотах, поэтому будем расчет вести по углероду.

Предположим, что в анионе минерала один атом углерода, тогда 1 г минерала содержит 0,025 моль соединения

 

.

 

Как видим, < , что еще раз подтверждает, что минерал не относится к классу карбонатов. При такой маленькой молярной массе, анионом может быть только С^4-, тогда х·М_А = 40–12 = 28. Если х = 1, тогда А – Si, если х = 2,
А – N. Азот отпадает, так как нет соединения СN₂, поэтому скорее всего А – это Si, а муассанит имеет формулу SiС.

Проверим это предположение, получив формулу осадка

 

- это SiО₂.

 

Действительно, по реакциям получается SiО₂:

 

SiС + 4 NaOH·H₂O = Na₂SiO₃ + Na₂CO₃ + 2H₂O + 4H₂

 

H₂O + Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₄SiO₄

 

(n-2)H₂O + H₄SiO₄ → SiО₂·nH₂O↓

 

SiО₂·nH₂O SiО₂ + H₂O↑

 

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + СО₂ + H₂O.

 

7 Стандартные многовариантные задачи

1 Определить молярную массу эквивалента металла, … граммов которого вытесняют из кислоты … водорода, собранного над водой при температуре … °С и добавлении … (Давление насыщенных паров воды см. в приложении). Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 1.

2 На окисление … граммов А (…) затрачено … мл (л) кислорода, измеренного при нормальных условиях. Определить молярную массу эквивалента элемента (А), процентный состав образовавшегося оксида, его формулу и с помощью химических реакций показать его кислотно-основной характер. Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 2.

3 Определить массу 1 м³ газовой смеси указанного состава при следующих условиях. Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 3.

4 Каково содержание основного минерала А в концентрате, если при реакции (…) концентрата с веществом В, выделился газ D объемом (…) (н.у.). Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 4.

5 Определить массы и объемы (для газообразных веществ) после завершения реакции (…) вещества А с (…) вещества В (…).Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 5.

6 Смесь (…) граммов, состоящую из вещества А и В (…), обработали избытком соляной кислоты. При этом выделилось (…) литров водорода, измеренного при н.у. Определить массовую долю каждого компонента смеси. Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 6.

7 При сжигании (…) образовалось (…) воды и (…) углекислого газа (н. у.). Найти истинную формулу органического соединения, если относительная плотность его пара равна (…). Численные данные для всех вариантов предложены в табл. 7.

Таблица 1

Численные данные к задаче 1

Вариант	Масса металла, г	Объем водорода, л	Температура, °С	Давление
	5,4000	7,70000	27,0	756,7 мм рт ст.
	0,5840	0,21900	17,0	754,5 мм рт ст.
	0,5000	0,18450	21,0	1,0 атм.
	0,1830	0,18270	20,0	767,5 мм рт ст.
	1,1500	0,62300	20,0	751,5 мм рт ст.
	0,0600	0,06050	14,0	752 мм рт ст.
	2,7900	0,62300	20,0	751,5 мм рт ст.
	11,1700	7,70000	27,0	756,5 мм рт ст.
	0,6500	0,25400	29,0	1,0 атм.
	0,2700	0,38500	27,0	756,7 мм рт ст.
	0,5870	0,25400	29,0	1,0 атм.
	0,1200	0,12100	14,0	0,99 атм.
	0,4600	0,24900	20,0	0,99 атм.
	0,2500	0,09225	21,0	1,0 атм.
	0,2046	0,27400	19,0	771,5 мм рт ст.
	1,1100	0,40420	19,0	770 мм рт ст.
	0,3470	0,18000	15,0	0,85 атм.
	0,0750	0,02850	22,0	745 мм рт ст.
	0,0230	0,03230	19,5	763 мм рт ст.
	0,1110	0,04042	19,0	1,01 атм.
	0,5400	0,77000	27,0	0,96 атм.
	0,2500	0,09225	21,0	760 мм рт ст.
	0,2400	0,24200	14,0	753 мм рт ст.
	1,0000	0,36900	21,0	760 мм рт ст.
	0,6000	0,06050	14,0	0,9 атм.

 

Таблица 2

Численные данные к задаче 2

Вариант	Масса вещества А, г	Объем кислорода
	1,24 фосфора	672 мл
	1,27 меди	0,224 л
	0,92 натрия	224 мл
	0,5 серы	0,35 л
	1,92 молибдена	672 мл
	15,6 калия	2,24 л
	2,43 магния	1,12 л
	2,24 железа	672 мл
	2,0 углерода	3,78 л
	0,41 фосфора	0,373 л
	3,95 селена	1,68 л
	9,2 лития	7,46 л
	0,8 кальция	224 мл
	2,8 галлия	0,672 л
	1,0 серы	700 мл
	0,954 меди	0,168 л
	0,766 вольфрама	140 мл
	2,28 германия	0,7 л
	4,88 сурьмы	0,672 л
	0,6 мышьяка	0,224 л
	0,14 азота	112 мл
	2,08 хрома	672 мл
	0,544 ниобия	0,224 л
	3,63 германия	1,12 л
	0,724 тантала	112 мл

 

Таблица 3

Численные данные к задаче 3

Вариант	Газ	%	Газ	%	Газ	%	Т, °С	Давление
	О2		N2		Ar			1 атм.
	О2		N2		CO2			730 мм рт.ст
	СО		CO2		N2			100 кПа
	СО		H2O		CO2			1,4 атм.
	СО		O2		N2			740 мм рт.ст
	С2Н4		CH4		CO			700 мм рт.ст
	Сl2		H2		HCl			800 мм рт.ст
	O2		Ar		N2			110 кПа
	O2		H2		Ar			98 кПа
	O2		H2		Ne		-20	1,1 атм.
	Cl2		N2		H2			10 кПа
	N2		CH4		C2H2			760 мм рт.ст
	F2		O2		-	-	-100	0,1 атм.
	He		Ar		O2			780 мм рт.ст
	Kr		N2		Cl2			500 мм рт.ст
	H2		O2		-	-		90 кПа
	Br2		N2		Ar			1 МПа
	CO		CO2		N2			140 кПа
	CO		CO2		O2			0,8 атм.
	CH4		CO		H2			0,9 атм.
	C2H4		CH4		C2H6			745 мм рт.ст
	H2		He		O2			1,9 атм.
	CO		H2		H2O			1,0 атм.
	Cl2		TiCl4		N2			730 мм рт.ст
	CO		Fe(CO)5		-	-		100 атм.

 

Таблица 4

Численные данные к задаче 4

Вариант	Концентрат	Вещество В	Продукт реакции
Минерал А	Масса, г	Вещество D	Объем, л
	Bi2S3		O2	SO2	22,4
	PbS		O2	SO2	2,24
	Ag2S		O2	SO2	11,2
	FeS		O2	SO2	15,68
	FeS2		O2	SO2	5,6
	NiS		O2	SO2	1,12
	Cu2S		O2	SO2	2,24
	ZnS		O2	SO2	44,8
	HgS		O2	SO2	33,6
	MnS2		O2	SO2	3,36
	PtS2		O2	SO2	1,792
	Fe2O3		C	CO (Fe)	13,44
	Fe3O4		C	CO (Fe)	8,96
	FeO		C	CO (Fe)	11,2
	Fe2O3		H2	H2O (Fe)	6,72
	C		O2	CO2	33,6
	ZnО		C	CO	22,4
	WS2		O2	SO2	7,2
	MoS2		O2	SO2	11,2
	GeS		O2	SO2	1,12
	VS2		O2	SO2	5,6
	Cu2O		C	CO	1,12
	Ag2O		C	CO	2,24
	FeS2		O2	SO2	17,92
	Cu2S		O2	SO2	1,586

Таблица 5

Численные данные к задаче 5

Вариант	Вещество А	Масса, г	Вещество В	Масса или объем	Давление	Температура, °С
	Fe		HCl	50 г 10 %	740 мм
	Na2CO3		CaCl2	100 г 40 %	-	-
	NaOH		H2SO4	50 г	-	-
	CaCO3		HCl	100 г 5 %	800 мм
	NaOH		CO2	14 л	1,2 атм
	NaCl		AgNO3		-	-
	FeCl3		NaOH	200 г 20 %	-	-
	CuSO4		H2S	10 л	100 кПа
	Pb(NO3)2		H2S	20 л	1 МПа
	MgCO3		HNO3	100 г 60 %	10 кПа
	KOH		HCl	300 г 20 %	-	-
	KOH		HCl	10 л	730 мм
	BaCl2		H2SO4	500 г 25 %	-	-
	BaCl2		AgNO3	600 г	-	-
	FeCl3		AgNO3	1 000 г	-	-
	Ba(OH)2		HCl	5 л	1,0 атм
	LiOH		CO2	30 л	0,1 атм
	Cu(NO3)2		NaOH	1 кг 10 %	-	-
	Al2(SO4)3		NH4OH	5 кг 10 %	-	-
	CaCl2		Na2CO3	1 кг 20 %	-	-
	Ba(OH)2		Na3PO4	5 кг 2 %	-	-
	Hg(NO3)2		H2S	50 л	1,2 атм
	CdCl2		H2S	80 л	700 мм
	K2CO3	1 000	HCl	100 л	101 кПа
	Na2CO3		H2SO4	5 кг 30 %	110 кПа

 

Таблица 6

Численные данные к задаче 6

Вариант	Масса смеси, г	Вещество А	Вещество В	Объем выд-ся водорода, л
	8,5	Na	K	3,235
	4,71	La(La^+^3)	Al	1,68
	7,27	Zn	ZnO	1,25
	8,0	Fe	Mg	4,48
	12,0	Al	Al2O3	3,73
	3,32	La(La^+^3)	Al	1,34
	4,445	Mg	Al	4,77
	4,5	Ti(Ti^+3)	TiO2	0,46
	1,31	Mg	Al	1,3
	1,5	Cu	Mg	0,56
	1,32	Zn	SiO2	0,44
	2,5	Zn	Mg	1,4
	31,045	K	Na	11,2
	18,659	Fe	Zn	6,72
	37,46	Ca	Al	24,64
	10,0	Fe	FeO	2,24
	14,262	Li	Al	19,040
	6,755	Ba	Ca	2,688
	19,99	Ca	CaCl2	10,060
	11,933	Zn	Al	8,96
	6,484	Sc	Fe	2,912
	176,442	Ba	K	33,6
	38,324	Cr(Cr^+3)	Fe	17,92
	20,24	Cr(Cr^+3)	Cr2O3	6,72
	252,5	Ba	BaO	22,4

 

Таблица 7

Цифровые данные к задаче 7

Вариант	Сжигается вещество	Массы или объемы	Относительная плотность
Н2О	СО2
	углеводород	7,2 г	6,72 л	= 1,52
	13,8 г орг. соед.	16,2 мл	26,4 г	= 23
	углеводород	0,9 г	1,12 л	= 0,96
	2,15 г углеводорода	-	6,6 г	= 43
	8,8 г орг. соед.	7,2 г	8,96 л	= 3,14
	2,9 г углеводорода	-	4,48 л	= 1,81
	углеводород	7,2 г	8,96 л	= 1,93
	4,3 г углеводорода	-	6,72 л	= 43
	3,7 г орг. соед.	4,5 мл	4,48 л	= 2,56
	27,6 г орг. соед.	32,4 г	26,9л	= 23
	3,6 г углеводорода	5,4 г	-	= 2,25
	углеводород	5,4 мл	11,0 г	= 36
	3,7 г орг. соед.	2,7 г	6,6 г	= 2,64
	5,6 г углеводорода	7,2 мл	-	= 1,75
	0,9 г орг. соед.	0,54 мл	0,672 л	= 90
	4,3 г углеводорода	-	13,2 г	= 29,7
	1,38 г орг. соед.	1,62 г	2,64 г	= 23
	углеводород	0,18 г	448 мл	= 13
	0,25 г углеводорода	-	0,448 л	= 0,811
	0,9 г орг. соед.	0,54 г	1,32 г	= 6,44
	1,4 г углеводорода	1,8 г	-	= 1,45
	0,22 г орг. соед.	0,18 г	0,44 г	= 3,04
	2,6 г орг. соед.	1,8 г	4,48 л	= 2,79
	0,7 г углеводорода	-	2,2 г	= 21
	2,2 г орг. соед.	1,8 мл	2,24 л	= 2,75

8 Задачи повышенной сложности [3,4]

Задачи на смеси

1 На смесь, состоящую из карбида кальция и карбоната кальция, подействовали избытком соляной кислоты, в результате чего были получены смесь газов с плотностью по воздуху 1,27 и раствор, при выпаривании которого образовался твердый остаток массой 55,5 г. Определить массу исходной смеси и массовые доли веществ в ней.

2 На смесь, состоящую из карбида кальция и карбида алюминия, подействовали избытком воды, в результате чего была получена смесь газов с плотностью по аммиаку 1,0. После выпаривания полученного раствора был получен осадок, при прокаливании которого образовался твердый остаток массой 66,8 г. Определите массу исходной смеси и массовые доли веществ ней.

3 При прокаливании смеси массой 41 г, состоящей из ацетата натрия и избытка гидроксида натрия, выделился газ, прореагировавший при освещении с хлором. В результате последней реакции образовалось 11,95 г трихлорметана (хлороформа). Выход хлороформа составил 40 % от теоретического. Найдите массовые доли веществ в исходной смеси.

4 При прокаливании смеси нитратов железа (II) и ртути образовалась газовая смесь, которая на 10 % тяжелее аргона. Во сколько раз уменьшилась масса твердой смеси после прокаливания?

5 При прокаливании смеси нитратов железа (II) и железа (III) образовалась газовая смесь, которая на 9 % тяжелее аргона. Во сколько раз уменьшилась масса твердой смеси после прокаливания?

6 Для растворения 1,26 г сплава магния с алюминием использовано 35 мл раствора серной кислоты (массовая доля 19,6 %, плотность 1,14). Избыток кислоты вступил в реакцию с 28,6 мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией 1,4 моль/л. Вычислите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (при н.у.), выделившегося при растворения сплава.

7 Образец расплава серебра с медью, массой 3,54 г, плотностью растворен в 23,9 мл раствора азотной кислоты (массовая доля кислоты 31,5 %, плотность раствора 1,17). Для нейтрализации избытка азотной кислоты потребовалось 14,3 мл раствора гидроксида бария с концентрацией 1,4 моль/л. Вычислите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (при н.у.), выделившегося при растворении сплава.

8 Смесь железных и цинковых опилок, массой 2,51 г, обработали 30,7 мл раствора серной кислоты (массовая доля кислоты 19,6 %, плотность раствора 1,14). Для нейтрализации избытка кислоты потребовалось 25 мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией 2,4 моль/л. Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси и объем газа (при н.у.), выделившегося при растворении металлов.

9 Смесь сульфата бария и углерода, массой 30 г, прокалили без доступа кислорода при температуре 1 200 °С. Полученный после прокаливания продукт обработали избытком соляной кислоты. Масса нерастворившегося осадка составила 1,9 г. Запишите уравнения соответствующих реакций и определите массовые доли веществ в исходной смеси.

10 Рассчитайте массовые доли компонентов смеси, состоящей из гидрокарбоаната аммония, карбоната кальция и гирфосфата аммония, если известно, что из 62,2 г этой смеси получили 17,6 г оксида углерода (IV) и 10,2 г газообразного аммиака.