Определение молекулярной формулы веществ

Задача 1. (ММА, форм, ф-т, 1994). При взаимодействии 6,0 г металла с водой выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Определите этот металл, если он в своих соединениях двухвалентен.

Решение. Поскольку металл двухвалентен, его реакция с водой описывается уравнением:

Согласно уравнению, моль. Отсюда атомная масса металла равна г/моль. Этот металл — кальций.

Ответ. Кальций.

Задача 2. При взаимодействии 10 г некоторого металла с раствором кислоты выделилось 4 л водорода (н.у.). Определите этот металл.

Решение. Эта задача сложнее, чем предыдущая, потому что неизвестна валентность металла в образующейся соли. Обозначим эту валентность через к. Поскольку формула кислоты неизвестна, мы можем записать лишь сокращенное ионное уравнение, которое выглядит следующим образом:

Согласно уравнению, моль. Отсюда атомная масса металла равна г/моль. Теперь надо перебрать значения от 1 до 4 (металлы с валентностью больше 4 не образуют катионов в растворе) и посмотреть, существуют ли металлы с данной молярной массой и данной валентностью.

Элемент — кремний, неметалл. Не подходит.

Элемент — железо, валентность 2. Подходит.

Элемент — криптон, неметалл. Не подходит.

Элемент — кадмий. Кадмий не бывает четырехвалентным. Не подходит.

Ответ. Железо.

Задача 3. При сгорании некоторой массы неизвестного углеводорода образовалось 15,4 г углекислого газа и 7,2 г воды. Определите молекулярную формулу углеводорода и его массу.

Решение. Общая формула углеводородов . Запишем общее уравнение сгорания любого углеводорода:

Найдем количества углерода и водорода. моль, моль.

Отсюда

Простейшая формула углеводорода — Она совпадает с истинной. Искомый углеводород — гептан.

Массу сгоревшего гептана определяем по уравнению реакции. моль. .

Ответ:

Задача 4. Докажите, что существуют химические соединения, содержащие 12,5% водорода по массе.

Решение. Для доказательства достаточно найти одно соединение, удовлетворяющее условию задачи. Пусть искомое соединение имеет формулу где n — валентность - неизвестного элемента Э в данном гидриде. Молярная масса гидрида равна:

где X — атомная масса Э. Масса водорода в данном соединении равна n. По условию,

откуда Подставив находим (литий). Искомое соединение — гидрид лития, Можно найти и другие соединения, содержащие 12,5% водорода по массе, — (силан), (гидразин), (метиловый спирт).

Задача 5. Определите формулу химического соединения, если массовые доли составляющих его элементов равны: Н — 1,59%, N — 22,22%, О — 76,19%.

Решение. Формула соединения в общем виде может быть записана как Для решения задачи необходимо определить значения Возьмем образец вещества массой 100 г и найдем отношение количеств элементов (в молях) в этом образце. Для этого следует разделить массовую долю каждого элемента на его относительную атомную массу:

Наименьшее из чисел (1,59) принимаем за единицу и находим отношение:

Оно означает, что в молекуле химического соединения на 1 атом водорода приходится 1 атом азота и 3 атома кислорода, следовательно, формула искомого соединения —

Ответ. Формула соединения —

Задача 6. (ММА, леч. ф-т, 1993). Содержание фосфора в одном из его оксидов равно 43,66%. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 9,79. Установите молекулярную формулу оксида.

Решение. Пусть формула оксида Возьмем 100 г оксида и найдем количества элементов: моль, моль:

Простейшая формула оксида —

Молярную массу оксида определяем по плотности паров. г/моль. Отсюда молекулярная формула оксида в парах .

Ответ. .

Задача 7. (ММА, леч. ф-т, 1992). Установите формулу кристаллогидрата сульфата хрома (III), если известно, что эта соль содержит 45,25% воды по массе.

Решение. 1-й способ. Пусть в состав кристаллогидрата входит n молекул воды. Общая формула соли моль этой соли имеет массу и содержит воды. Массовая доля воды равна

откуда

2-й способ. Массовая доля соли в кристаллогидрате равна . 1 моль безводной соли имеет массу 392 г, что составляет 54,75% от массы 1 моля кристаллогидрата. Значит, г/моль, откуда находим, что

Ответ.

Задача 8. (МГУ, хим. ф-т, 1994). Определите формулу вещества, если известно, что оно содержит 6,25% Р, 12,5% N, 56,25% Н, 25,0% О (по молям). Назовите это вещество, предложите способ его получения и напишите одно уравнение реакции с его участием.

Решение. В стандартных задачах обычно задают массовые доли элементов, которые затем переводят в мольные доли и по ним находят простейшую формулу (см. задачи 5, 6). В этой задаче мольные доли уже даны. Возьмем 1 моль вещества и найдем количества элементов в нем:

Отсюда простейшая формула — . Этой формуле отвечает гидрофосфат аммония . Это вещество получают взаимодействием концентрированного раствора аммиака с точно рассчитанным количеством фосфорной кислоты:

Простейшая реакция, которую можно придумать с участием этого вещества, — это обменная реакция с растворимыми солями кальция в водном растворе:

Задача 9. (МГУ, хим. ф-т, 1990). Образец вещества массой 2,96 г в реакции с избытком бария при комнатной температуре дает 489 мл водорода (измерено при 298 К и 101,3 кПа). При сжигании 55,5 мг того же вещества получили 99 мг оксида углерода (IV) и 40,5 мг воды. При полном испарении образца этого вещества массой 1,85 г его пары занимают объем 0,97 л при 473 К и 101,3 кПа. Какое вещество подвергли анализу? Приведите структурные формулы двух его изомеров, отвечающих условиям задачи.

Решение. 1,85 г искомого вещества составляют моль.

При сжигании искомого вещества массой 55,5 мг образовалось 99 мг , следовательно, в таком образце содержится ммоль С (т.е., мг).

При сжигании образовалось также 40,5 мг следовательно, образец содержит ммоль Н (т.е., 4,5 мг). Поскольку сжигали образец массой 55,5 мг, то разница мг приходится на кислород, которого было ммоль.

Простейшая формула вещества а поскольку его молярная масса то истинная формула

2,96 г анализируемого вещества моль) при взаимодействии с избытком бария дают моль Это означает, что вещество имеет одну гидроксильную группу ОН,

0,04 моль 0,02 моль

Остается решить вопрос о структуре анализируемого вещества. Поскольку в состав молекулы входят 2 атома О и 1 группа ОН, то его изомерами могут быть либо кислоты, либо алъдегидоспирты.

Ответ. изомеры:

Задача 10. (ММА, лея. ф-т, 1991). В стальной сосуд емкостью поместили 1,53 г предельной монокарбоновой кислоты, затем туда ввели кислорода (при н.у.). После поджигания кислота полностью сгорела, при этом давление внутри сосуда при температуре 227 °С составило 306 кПа. Определите формулу кислоты и приведите структурные формулы ее изомеров.

Решение. Общая формула предельных монокарбоновых кислот может быть представлена в виде Уравнение реакции горения выглядит следующим образом:

Обозначим количество кислоты через Поскольку кислород взят в избытке или в стехиометрическом количестве, то после реакции его останется молей.

Образовалось молей и молей (вода — газ!). Таким образом, всего в конечной смеси содержится - моль газов. С другой стороны, это количество равно моль. Получаем уравнение для

откуда . Таким образом, формула искомой кислоты — . Данной молекулярной формуле отвечают 4 кислоты, различающиеся строением радикала . В качестве изомера можно взять сложный эфир:

В этой задаче очень важно аккуратное округление (степень округления определяется точностью условий задачи). Например, если в уравнении для округлить 0,2025 до 0,2, то вместо правильного ответа получится .

Ответ. .