2. Расчеты с использованием уравнений химических реакций.
2.1. Определение формулы неизвестного вещества по количественным данным о его превращениях.
Большая часть химиков в своих исследованиях пользуется разнообразными методами количественного анализа: экстракцией, хроматографией, всевозможными видами спектроскопии, масс-спектрометрией, элементным анализом для определения химического состава соединения. Постараемся познакомить интересующихся с тем, как из минимума количественных данных можно получить максимум информации о веществе.
Дополнительно к методам решений из разделов 1,2 научимся решать задачи на определение формулы неизвестного вещества по продуктам его превращений.
При сожжении m г органического вещества получено m 1 г диоксида углерода и m 2 г воды. Определить формулу вещества.
Это простейший пример такой задачи. Что такое простейшая (эмпирическая) формула? Это атомные и, соответственно, мольные соотношения составляющих элементов, т.е. соотношение дробей, в числителе которых масса элемента, а в знаменателе относительная атомная масса.
В исходное органическое вещество могут входить все составляющие продуктов сгорания: водород, углерод, кислород.
В 44 г CO 2 содержится 12 г углерода, в m 1 г CO 2 содержится x г углерода, x = 12m 44 1 = 3m 11 1 г
В 18 г H 2 O содержится 2 г водорода, в m 2 г H 2 O y г водорода,
y = 2m 18 2 = m 9 2 г
Масса кислорода равна (m–x–y) г, так как другие элементы в продуктах сго-
Рассчитываем простейшую формулу:
Формула вещества [C m1/44 H m 2 /9 O (m–3m 1 /11–m 2 /9)/16 ] n
относительная молекулярная масса вещества
Здесь n = относительная молекулярная масса: рассчитанная по простейшей формуле
Сформулируем задачу в более общем виде:
« При сжигании m г некоторого вещества получены соединения X p O q ,
Y k O l . Z z O w (любой из индексов может равняться нулю), массы которых m 1 , m 2 , . m n соответственно. Определить формулу вещества ».
Решение . Необходимо определить массы элементов X, Y, Z, входящих в упомянутое «некоторое вещество»:
pM(X) — pM(X) + 16q m(X) — m 1
m(X) = m 1 pM(X) pM(X)+16q
m(Y)= m 2 kM(Y) . m(Z)= m n zM(Z) kM(Y)+16r zM(Z)+16w
масса кислорода в веществе: m(O) = m– Σ m(X). m(Z)
Простейшая формула в дробных числах:
формула: X (pm 1 /pm(X)+16q) Y (km 2 /kM(Y)=16r) . Z (zm n /zM(Z)+16w)
Несовпадение m и Σ m(X) . m(Z) означает, что в соединении есть кислород, а молекулярная формула соединения вычисляется аналогично предыдущему случаю.
В этом разделе Вы встретите в качестве составных частей рассматриваемого типа задач и те, основные элементы которых мы уже разобрали в предыдущих разделах.
Пример 1 . При взаимодействии оксида некоторого металла с азотной кислотой образовалось 34.0 г соли и 3,6 г воды. Какова масса оксида металла, использованного для реакции?
Решение: Пусть формула соли A(NO 3 ) n , а оксида A 2 O n . Оксид растворяется в азотной кислоте:
A 2 O n + 2nHNO 3 =A(NO 3 ) n + nH 2 O
При образовании 1 моль ([M(A)+62n] г) нитрата одновременно образуется n/2 моль воды (9n г):
(M(A)+62) г соли — 9n г H 2 O;
34 г соли — 3,6 г H 2 O.
Отсюда M(A)+62n = 9 , или M(A) = 85–62n.
Очевидно, что M(A)>0 только при n=1. Значит, M(A) = 23; это натрий. Оксид натрия растворяется в азотной кислоте:
Na 2 O + 2HNO 3 = 2NaNO 3 + H 2 O
При растворении 62 г Na 2 O выделяется 18 г воды, при растворении x г Na 2 O выделяется 3,6 г воды,
Пример 2. При электролизе расплава 8 г некоторого вещества на аноде выделилось 11,2 л водорода (н.у.). Что это было за вещество? Можно ли провести электролиз его водного раствора?
Решение. Выделившийся на аноде водород содержался в веществе в виде H – . Значит, анализу подвергли гидрид: 2H – – 2e – = H 2 . Водород обьемом 11,2 л (н.у.) имеет массу 1 г, т.е. на 1 г водорода в гидриде приходится 7 г металла. Отсюда атомная масса металла 7n, где n – количество атомов водорода в гидриде. Существует три элемента с массой, кратной 7: Li, Si, Fe. Кремний (n=4) отпадает, поскольку SiH 4 не проводит электрический ток, а степень окисления 8 (n=8, M=56 г/моль) у железа в данном случае весьма маловероятна. Следовательно, был взят гидрид лития LiH. Электролиз водного раствора LiH провести не удается из-за разложения последнего водой:
LiH + H 2 O = LiOH + H 2
Пример 3 . При сжигании 23 г газообразного вещества с плотностью ρ = 2,05 г/л при н.у. получено 44 г диоксида углерода и 27 г воды. Изобразите структурную формулу этого вещества.
Решение . Неизвестный газ – X. Согласно закону для идеальных газов
M(X) = ρ x RT/p = 46 г/моль;
ν (X) = 23/46 = 0,5 моль;
ν (CO 2 ) = 44/44 = 1,0 моль;
ν (C) = 1 моль; m(C) = 12 г;
ν (H 2 O) = 27/18 = 1,5моль;
ν (H) = 3моль; m(H) = 3г.
Соединение содержит также кислород, поскольку m(C) + m(H) = 12 + 3 = 15 г < 23 г
m(O) = 23 – 15 = 8 г
ν (O) = 5 моль; ν (C): ν (H): ν (O) = 1:3:0,5 = 2:6:1.
Молекулярная формула соединения: C 2 H 6 O. Этой формуле отвечают два изомера: CH 3 CH 2 OH (этанол) и H 3 C–O–CH 3 (диметиловый эфир), но этанол при обычных условиях жидкость, значит, неизвестный газ – диметиловый эфир.
1. При сжигании неизвестного вещества в кислороде образовалось 3,6 мл воды и 2,24 л азота (при н.у.). Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 16. Определите молекулярную формулу вещества. Что Вы можете сказать о его свойствах?
2. При прокаливании 80 г безводного сульфата трехвалентного элемента получается его оксид массой на 24 г меньше молярной массы элемента. Определите, какой это элемент.
3. При прокаливании 1 моль сульфата двухвалентного элемента получили а г оксида этого элемента состава МО. При прокаливании а г этого же сульфата образуется б г того же оксида, а при прокаливании б г сульфата – 20 г оксида. Сульфат какого элемента взяли для исследований?
4. Реакция двух газов, смешанных в молярном соотношении 1:2, в замкнутом обьеме приводит к образованию раствора плавиковой кислоты с массовой долей 69%. Что это за газы? Ответ мотивируйте.
5. Для полного сгорания некоторого органического вещества потребовалось в 2 раза меньше кислорода, чем для полного сгорания следующего члена гомологического ряда. Какие это могут быть соединения?
6. Соль одновалентного металла массой 74,4 г нагрели в закрытом сосуде, при этом получилось 26,8 мл бесцветной жидкости с концентрацией вещества 11,2 моль/л. Определите формулу соли, если известно, что она содержит металл, водород, 25,80% серы и 51,61% кислорода.
7. В результате сжигания в атмосфере хлора смеси двух простых веществ образовалась смесь хлоридов с массой, в 8,5 раза превышающей массу исходной смеси. Установите возможный качественный и количественный состав исходной смеси.
8. На полное сгорание 1 объема газа X израсходовано 5 объемов кислорода. При этом соотношение масс образовавшихся продуктов – диоксида углерода и воды – составило 4,89:1.
1. Изобразите структурные формулы всех возможных изомеров X, укажите, какие из них являются нестабильными и почему.
2. Какое из соединений должно иметь наибольшую кислотность, а какое – наибольшую основность и почему?
9. При сжигании в токе кислорода 10 г белого кристаллического вещества было получено 3,20 л CO 2 (н.у.) и 6,591 г желтого порошка. Определите
все перечисленные соединения, если известно, что желтый порошок представляет собой бинарное соединение переходного металла, содержащее по данным химического анализа 79,30% металла по массе.
10. Газообразный насыщенный нециклический углеводород объемом 224 мл (н.у.) сожгли, а продукты растворили в 1 л известковой воды с массовой долей 0,148% (плотность 1,0 г/мл). При этом было получено 1,0 г осадка. Определите молекулярную формулу углеводорода.
11. Оптически активный сложный эфир имеет формулу С 6 Н 12 O 2 . Образец эфира массой 11,6 г нагрели с водным раствором гидроксида натрия, взятом в избытке. По окончании реакции щелочную реакционную смесь несколько раз проэкстрагировали диэтиловым эфиром. Водный раствор, отделенный от эфирной вытяжки, оптической активности не проявляет. Эфирные экстракты объединили и высушили сульфатом магния, затем осушитель отфильтровали, отогнали диэтиловый эфир и перегнали остаток. Получено 7,4 г жидкости, кипящей при 100°С (выход вещества количественный).
Изобразите структурную формулу исходного эфира.
Какое строение имел бы эфир, если бы водный раствор после щелочного гидролиза был оптически активным?
Напишите уравнение реакции щелочного гидролиза изомеров эфира.
12. Органическое вещество А содержит 54,55% углерода, 9,09% водорода и 36,36% кислорода и имеет относительную плотность паров по водороду, равную 22. Это вещество легко восстанавливает аммиачный раствор оксида серебра. При восстановлении 11 г этого вещества водородом в присутствии платинового катализатора при 30°C и последующем пропускании продукта реакции Б над оксидом алюминия при 350°C образуется углеводород В, который обесцвечивает раствор брома в тетрахлорметане, образуя при этом 37,5 г дибромпроизводного Г. Установите структурные формулы веществ А – Г и вычислите выход Г в расчете на взятое количество исходного вещества А.
13. Вещества А и Б бурно реагируют между собой с образованием продукта В. При обработке В оксидом углерода(IV) образуются вещества Б и Г (Г содержит 8,14% углерода и 32,5% кислорода). Определите вещества А – Г, напишите уравнения реакций.
14. Белое кристаллическое вещество А не разлагается при нагревании; 3,783 г этого вещества растворили в сильноразбавленном растворе соляной кислоты, выделился газ Б. Затем воду выпарили, при этом образовались две соли: хлорид натрия и соль В, содержащая 12,06% натрия и 71,32% кислорода, малорастворимая в воде. Нагревая соль В, получили соль Г, которая
состоит из 34,94% натрия, 48,63% кислорода и еще одного элемента. При
взаимодействии того же количества вещества А с концентрированной серной кислотой образовалось 1,120 л газа Д и газ Б (н.у.). Газ Д сгорает на воздухе с образованием 2,702 г воды и 3,481 г твердого оксида Е, содержащего 68,95% кислорода.
Определите соединения А – Е. Напишите уравнения реакций. Ответ подтвердите расчетом.
15. Газ А (плотность 1,25 г/л (н.у.)) может быть получен реакцией бинарного солеобразного вещества, содержащего водород, с хлоридом элемента Х. Газ этот используется как ракетное топливо, так как выделяет большое количество тепла при сгорании. Газ А обесцвечивает бромную воду; если после этого раствор упарить досуха, в остатке окажется единственное вещество Б – важный фармакологический препарат. Эбулиоскопическое измерение (по повышению температуры кипения раствора) относительной молекулярной массы Б дало величину 62. Конденсат, собранный при упаривании, содержит, кроме воды, также одно вещество, дающее осадок с раствором нитрата серебра. Массовая доля серебра в осадке 57,45%. Определите, о каких веществах идет речь, свой ответ логически обоснуйте. Как Вы считаете, могут ли существовать другие соединения, включающие те же элементы, что и А? Будет ли зависеть состав продуктов реакции А с бромной водой от ее концентрации?
16. Некоторая жидкость перегоняется в интервале температур 34–40°C. Она мало растворима в воде, не способна к реакции с гидроксидом меди (II), очень медленно реагирует со щелочью на холоду. Навеску этой жидкости массой 1,0000 г сожгли, получив при этом 0,9722 г воды, 0,1718 г хлороводорода и 2,0030 г диоксида углерода. Исследуемую жидкость поместили в колбу с обратным холодильником и обработали горячим раствором гидроксида натрия. Произошло частичное растворение жидкости, что сопровождалось выделением газа с резким запахом. Оставшуюся нерастворенной часть жидкости отделили и обработали концентрированным раствором иодида водорода, в результате чего она прореагировала с образованием иодэтана. Определите состав жидкости. Используя все данные задачи, покажите, однозначно ли ее решение. Ответ обоснуйте. Напишите уравнения реакций. Какое вещество обуславливает появление резкого запаха? Предположите механизм образования иодэтана.
17. При гидролизе 7,42 г некоторого эфира получено 3,22 г одноосновной карбоновой кислоты и 6,72 г одноатомного спирта. Какой эфир был взят для гидролиза?
18. Соединение X состоит из азота и водорода. При сильном нагревании 3,2гвеществаXонополностьюразлагаетсябезобразованиятвердогоостатка.
Полученная газовая смесь частично абсорбируется серной кислотой (при этом объем газовой смеси уменьшается в 2,8 раза). Неабсорбированный газ, представляющий собой смесь водорода и азота, при нормальных условиях занимает объем 1,4 л и имеет плотность 0,786 г/л. Определите химическую формулу соединения X.
19. Для восстановления 3,2 г оксида металла требуется 1,344 л водорода. При растворении полученного металла в избытке соляной кислоты выделяется 0,896 л водорода. Определите, какой это металл. Напишите уравнения всех упомянутых реакций. (Объемы газов измерены при н. у.).
20. Раствор некоторой соли, имеющий щелочную реакцию, при нагревании медленно нейтрализовали хлоридом аммония. На это ушло 2,675 г
NH 4 Cl; в результате выделилось 1,70 г газообразных веществ, а сухой остаток после выпаривания полученного раствора представлял собой хлорид натрия. Определите исходную соль, если известно, что она не проявляет окислительных свойств.
21. Калиевая соль одноосновной неорганической кислоты, состоящая из трех химических элементов (молекулярная масса G 220), содержит 31,68% кислорода. Что это за соль? Может ли она быть получена в высокочистом состоянии? С какой целью ее могут использовать в медицине? Можно ли решить эту задачу, если бы было неизвестно число химических элементов, входящих в состав соли?
22. Бесцветная легкокипящая несмешивающаяся с водой инертная жидкость А содержит 38,65% углерода и 9,66% водорода. При окислении А пероксидом водорода или органическими пероксидами образуется инертная высококипящая жидкость Б без цвета и запаха, растворимая в воде и органических растворителях, и содержащая 30,77% углерода. 7,6% водорода и 20,51% кислорода. При энергичном окислении А или Б перманганатом калия образуется бесцветное кристаллическое вещество В, растворимое в воде и органических растворителях, устойчивое к дальнейшему окислению. Оно содержит 25,50% углерода, 6,33% водорода и 34,01% кислорода. Что за вещества А, Б, В? Какие процессы протекали при окислении А и Б? Как можно синтезировать А из природного сырья?
23. В избытке кислорода сожгли 1,00 г 10,0% раствора неизвестного вещества в ледяной уксусной кислоте, причем израсходовано 672 мл кислорода (н.у.), при этом образовались только вода (0,569 мл) и углекислый газ (708 мл при н.у.). Раствор какого вещества сожгли? С какими из предложеных веществ оно способно вступать в химические реакции (гидроксид калия,
йодоводородная кислота, бутен-2, диметилдисульфид).
24. Неизвестный газообразный углеводород объемом 10 мл смешали с
70 мл кислорода, и смесь сожгли. По окончании реакции после конденсации водяных паров объем газовой смеси составил 65 мл. При пропускании газа в раствор гидроксида калия объем его уменьшился до 45 мл. Рассчитайте молекулярную формулу неизвестного углеводорода, считая, что объемы газов измерены при н.у.
25. Органическое вещество А, содержащее 41,38% (масс.) углерода, 3,45% водорода, остальное — кислород, является сырьем для получения ряда продуктов по схеме:
Состав вещества Б: 55,81% (масс.) углерода, 6,97% водорода, остальное — кислород; состав вещества Г: 35,82% углерода, 4,48% водорода, остальное
— кислород. На нейтрализацию 2,68 г вещества Г расходуется 20 мл 2 М раствора гидроксида калия.
Установите структурные формулы веществ А, Б, В, Г и напишите уравнения реакций, указанных в схеме.
26. К 200 г 15,55%-ного раствора соли ртути состава Hg x (NO 3 ) 2 , (индивидуальное вещество, где x = 1 или 2), добавили 8,2 г магниевой стружки. После окончания реакции осадок массой 34,7 г может прореагировать с 14 г хлороводорода. Определите, какая соль ртути (x = 1 или 2?) была в растворе.
1. Судя по продуктам сгорания, вещество может содержать водород, азот, кислород. Однако относительная молекулярная масса вещества 16 • 2 = 32 ограничивает число атомов кислорода до одного или полностью исключает его.
По условию азота образовалось 2,24 л, что составляет 0,1 моль. Водорода в воде:
в 18 г Н 2 О – 2 моль,
в 3,6 г Н 2 О – 0,4 моль,
0,1 моль N 2 составляет 0,2 моль атомов азота.
Соотношение азота и водорода в соединении составляет 0,2:0,4=1:2. Простейшая формула вещества – NH 2 . M (NH 2 ) =16; M (N 2 H 4 ) =32 совпадает с заданной в условии задачи. Отсюда формула исходного вещества:
N 2 H 4 – гидразин, при комнатной температуре бесцветная жидкость. Определяем брутто-формулу органического вещества. Рассчитываем соотношение элементов в веществе:
C:N:H = (16,8/22.4) : (2,80 • 2/22.4) : (4,50 • 2/18) = 6:2:4
По разности масс продуктов сгорания и исходного вещества находим соотношение для атомов углерода и кислорода:
C:O = (16,8/22.4) : [(21,0 – (16,8 • 12/22,4+2,80 • 28/22,4+4,50 • 2/18)/16] = 6:4
В результате получаем брутто формулу: C 6 H 4 N 2 O 4 .
Исходя из реакции с Cl 2 /AlCl 3 органическое вещество, вероятно, динитробензол. Исходя из образования только двух монохлорпроизводных – 1,2-динитро- бензол (другие изомеры дают большее количество монохлорпроизводных):