Решение расчетных задач в 10 классе

В 10 классе изучается органическая химия. Расчеты по уравнениям реакций здесь ведутся аналогично тем, что велись при решении задач по неорганической химии. Задачи могут быть на избыток и недостаток, примесь, массовую долю выхода и др.

С первых уроков в 10 классе, кроме того, решаются задачи разных типов для повторения и закрепления материала неорганической химии.

В курсе органической химии сравнительно новыми являются задачи на:

1. Нахождение молекулярной формулы органического вещества на основании его плотности и массовых долей элементов (процентного состава).

2. Нахождение молекулярной формулы органического вещества по массе (объему) продуктов его сгорания.

Тип 1: Нахождение молекулярной формулы органического вещества на основании его плотности и массовых долей элементов (процентного состава).

Задача: Хлоропроизводное предельного углеводорода имеет плотность по водороду, равную 118.5.

          Массовые доли элементов в этом соединении следующие: Cl ‑ 89.9%; C - 10.1%. Найти молекулярную формулу данного соединения.

Дано:
w(Cl) = 89.9%
w(C) = 10.1%
CxCly =?

Решение: 

Находим Mr (необходимо помнить, что без знания Mr установить точную формулу нельзя):

             Mr = 2 · 118.5 = 237.

Существуют два способа дальнейшего решения задачи.

Способ 1 решения (наиболее простой): на основании математической формулы массовой доли элемента.

С исходными математическими формулами учащиеся знакомы еще с 8 класса (ранее был выделен данный тип задач, сейчас – нет).

Если вещество C_xCl_y, его относительная молекулярная масса известна, то

,         ,

из чего следует:

,            ,

,                 .

Ответ: Молекулярная формула соединения – C₂Cl₆.

Способ 2 решения задачи используется чаще всего, если не известна Mr. Он заключается в нахождении первоначально соотношения числа (N) атомов элементов, образующих молекулу.

Исходим из тех же математических формул для x и y:

,

после преобразований получаем:

,             .

Следует объяснить учащимся, что число атомов может быть только целым, поэтому надо разделить большее число на меньшее:

x: y = 1: 3.

Таким образом, простейшая формула соединения CCl₃. Сравним Mr данной молекулы с Mr, вычисленной на основании .

Mr(CCl₃) = 12 + 3 · 35.5 = 118.5,

что в два раза меньше, чем вычислено по , то есть формула соединения (CCl₃)₂ или C₂H₆.

Первый способ, если известна относительная молекулярная масса, является более предпочтительным.

Тип 2: Нахождение молекулярной формулы органического вещества по массе (объему) продуктов его сгорания.

Задача: Определить молекулярную формулу углеводорода по следующим данным: при сгорании газообразного углеводорода массой 0.29 г образовались углекислый газ объемом 0.448 л и пары воды массой 0.45 г. Плотность углеводорода по водороду равна 29.

Первый способ решения задачи основан на следующих рассуждениях: органические вещества состоят из углерода и водорода, поэтому по продуктам сгорания можно определить массу и количество вещества каждого из этих элементов.

1. Решение начинаем с нахождения относительной молекулярной массы:

             Mr = 2 · 29 = 58              M = 58 г/моль.

2. По стехиометрической схеме находим массу углерода в CO₂ объемом 0.448 л и массу водорода в H₂O массой 0.45 г:

0.448 л            x г                                              0.45 г             y г

CO₂ ¾ C                                      H₂O ® 2H

n = 1 моль   n = 1 моль                                 n = 1 моль     n = 2 моль

V_m=22.4 л/моль M=12 г/моль                            M=18 г/моль M=1 г/моль

   

n(CO₂) = n(C) = 0.02 моль                 n(H) = 2n(H₂O) = 0.05 моль.

x = 0.24 г.                                          y = 0.05 г.

Обращаем внимание учащихся, что сумма масс равна 0.29 г, то есть массе исходного вещества, следовательно, других элементов нет (если сумма меньше, то еще есть кислород).

3. Далее решение может быть осуществлено двумя вариантами:

а)	по массе:	б)	по количеству вещества: Найдем
	Составим пропорции:		число моль исходного вещества:
	0.29 г CxHy  –  0.24 г C 58 г CxHy  –      x' г C
			Количество моль атомов:
	Аналогично:		Составим пропорции:
	0.29 г CxHy  –  0.05 г H 58 г CxHy  –      y' г H		0.005 моль CxHy  – 0.02 моль атомов C 1 моль CxHy  –      x моль атомов C
	n(H) = 10 моль атомов.		Аналогично:
			0.005 моль CxHy – 0.05 моль атомов H 1 моль CxHy –      y моль атомов H
			.
	Ответ: формула C4H10.		Ответ: формула C4H10.

 

Второй способ решения задачи. Расчет по уравнению горения.

0.29 г                                   0.448 л           0.45 г

1. C_xH_y + O₂ = x CO₂ + H₂O.

n = 1 моль                               n = х моль     n = 0.5y

M = 58 г/моль                            V = х·22.4 л M = 18 г/моль

 m = 58 г                                                                 m = 9y г

2. Далее решение может быть осуществлено двумя вариантами:

а)	по массе:	б)	по количеству вещества:
	Составим пропорции: 0.29 г CxHy –    0.448 л CO2 58 г CxHy –   x ·22.4 л CO2		Найдем число моль исходного вещества и продуктов сгорания:
	Аналогично:
	0.29 г CxHy –  0.45 г HO2 58 г CxHy –    9· y г HO2
			Составим пропорции: 0.005 моль CxHy   – 0.02 моль CO2 1 моль CxHy   –        x моль CO2
	Ответ: формула C4H10.
			Аналогично: 0.005 моль CxHy –  0.025 моль HO2 1 моль CxHy –   0.5· y моль HO2
			.
			Ответ: формула C4H10.

Сравниваем Mr данной молекулы с Mr, рассчитанной по . Если Mr не совпадают, то есть кислород.

Если сгоревшее вещество содержало кислород, то в уравнении меняется коэффициент только перед O₂, но этот коэффициент на решение не влияет:

C_xH_yO_z + O₂ = x CO₂ + H₂O.