- •Российский государственный педагогический университет имени а.И. Герцена
- •Основы химического языка
- •Предисловие
- •Химическая номенклатура
- •I. Химический элемент, химическое соединение
- •1.1. Химический элемент – символы и названия, изотопы.
- •Классификация химических элементов.
- •Классификация химических соединений по составу.
- •Принципы химической номенклатуры – химическая формула и химическое название соединения.
- •Систематические и традиционные названия простых веществ.
- •Степень окисления элементов в химических соединениях.
- •Систематические и специальные названия одноэлементных ионов.
- •Систематические и специальные названия бинарных соединений.
- •Функциональная классификация сложных неорганических соединений
- •Оксиды.
- •Гидроксиды – основные (основания), амфотерные, кислотные (оксокислоты).
- •Пероксокислоты.
- •Тиокислоты, политионовые и другие замещенные оксокислоты.
- •Бескислородные кислоты.
- •Галогенангидриды.
- •Основные положения координационной теории.
- •Номенклатура комплексных соединений.
- •Соединения постоянного и переменного состава (дальтониды и бертолиды)
- •Аддукты.
- •Химические реактивы.
- •Общие правила работы в химической лаборатории, меры предосторожности и первая помощь при несчастных случаях10.
- •«Основные классы неорганических соединений. Оксиды
- •Гидроксиды
- •Кислоты
- •Металлокомплексные соединения
- •Количественные характеристики химических элементов и соединений.
- •1.17. Определение простейших и молекулярных формул соединений.
- •Лабораторная работа №2.
- •Индивидуальное домашнее задание № 1
- •II. Химический процесс
- •Химическая реакция, уравнение химической реакции
- •Ионно-молекулярные уравнения реакций с участием электролитов.
- •Окислительно-восстановительные реакции – классификация.
- •Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.
- •Важнейшие окислители и восстановители
- •Лабораторная работа № 3 «Окислительно-восстановительные реакции» Окислительные свойства кислот
- •Окислительно-восстановительные свойства галогенов и их соединений
- •Окислительно-восстановительные свойства металлов и их соединений
- •Влияние кислотности среды на окислительно-восстановительные свойства соединений марганца и хрома
- •Окислительно-восстановительная двойственность
- •Реакции диспропорционирования
- •Реакции внутримолекулярного окисления-восстановления
- •Эквивалент, закон эквивалентов
- •5,6 Г железа эквивалентны 3,2 г серы
- •0,644 Г koh взаимодействует с 0,471 г н2рно2
- •Лабораторная работа №4 «Определение эквивалента магния»
- •Индивидуальное домашнее задание № 2
- •Вариант 6
- •Ответы.
- •I. Химический элемент, химическое соединение.
- •II. Химический процесс.
1.17. Определение простейших и молекулярных формул соединений.
Простейшая формула устанавливает количественное соотношение между атомами химических элементов, входящих в состав соединения, в соответствии с отношениями масс элементов. Для установления простейшей формулы достаточно данных элементного анализа о процентном массовом содержании элементов в соединении. Например, результаты элементного анализа ацетилена и бензола показывают, что оба соединения содержат 92,3% углерода и 7,7% водорода. С учетом относительных атомных масс углерода и водорода это указывает на подобную простейшую формулу для обоих соединений СxHy, в которой на атомов водорода приходится атомов углерода: x y = = 1 1. Таким образом, и ацетилен и бензол характеризуются одинаковой простейшей формулой СН, указывающей, что соотношение атомов водорода и углерода в этих соединениях 11.
Молекулярная формула отражает действительный состав молекул химических соединений. Для определения молекулярной формулы необходимы дополнительные данные о величине молекулярной массы соединения М. Соотношение между величиной М и расчетной величиной молекулярной массы M’ соединения с простейшей формулой позволяет определить целое число n = M/M’, показывающее соотношение между количеством атомов элементов в молекулярной и простейшей формуле. Так, несмотря на подобную простейшую формулу СН с M’= 13 г/моль, различие в молекулярных массах ацетилена (M = 26 г/моль) и бензола (М = 78 г/моль) показывает различие в их молекулярных формулах (СН)n: n = 2 для ацетилена С2Н2 и n = 6 для бензола С6Н6.
Наряду с классическими методами определения молекулярных масс для соединений в газовой фазе - по уравнению Менделеева-Клайперона, установления мольного объема и относительной плотности Ds газа по отношению к различным стандартам, в настоящее время существует большое разнообразие прямых и косвенных физико-химических методов определения молекулярных масс химических соединений в различных агрегатных состояниях. В рамках атомно-молекулярного учения определенную роль в установлении молекулярных масс простых веществ и атомных масс элементов сыграли – метод, основанный на определении удельной теплоемкости простых веществ, и метод Каницаро.
В основе метода определения атомной массы по значению удельной теплоемкости простых веществ лежит правило Дюлонга и Пти – произведение удельной теплоемкости [C, Дж/мольК] твердого простого вещества на мольную массу его атомов ест величина приблизительно постоянная и равная 26 Дж/мольК: СМ 26. В результате этого на основании данных о величине удельной теплоемкости простого вещества можно получить приближенное значение мольной массы, численно равное атомной массе элемента, образующего данное простое вещество: А = М 26/C.
Таблица 1.10. Данные элементного анализа углеродсодержащих соединений.
Соединение |
Содержание С,% |
Масса 1 моля соеединения, г |
Масса С в 1 моле соединения, г |
Метиловый спирт |
37,5 |
32 |
320,375 = 12 |
Метан |
75,0 |
16 |
160,750 = 12 |
Ацетилен |
92,3 |
26 |
260,923 = 24 |
Ацетон |
62,1 |
58 |
580,621 = 36 |
Бензол |
92,3 |
78 |
780,923 = 72 |
Метод Каницаро основан на анализе массового содержания химического элемента в возможно большем числе соединений. Наименьшая масса элемента, приходящаяся на один моль соединения, и принимается за мольную массу данного элемента. Например, анализ содердания углерода в различных органических соединениях: показывает (табл. 1.10), что в 1 моле метилового спирта и метана на долю углерода приходится наименьшая масса 12 г. Поскольку в 1 моле углеродсодержащего соединения не может быть меньше 1 моля атомов углерода, то мольная масса углерода принимается равной 12 г/моль.
Пример 11. Определить простейшую формулу CrxOy, содержащего 68,4% Cr.
Решение. Атомные массы хрома и кислорода, входящих в состав оксида хрома с простейшей формулой СrxOy, равны 52 и 16. Поэтому массы хрома и кислорода в составе оксида относятся с одной стороны как 52x : 16y, а с другой – как массовые доли хрома и кислорода из условия задачи: 68,4 : 31,8:
52x : 16y = 68,4 : 31,8
x : y = (68,4/52) : (31,8/16) = 1,32 : 1,98
Для того чтобы выразить отношение x : y целыми числами, разделим оба члена отношения на меньший (1,32) и умножим на два:
x : y = (1,32/1,32) : (1,98/1,32) = 1 : 1,5 = 2 : 3
Таким образом, простейшая формула оксида хрома - Cr2O3.
Пример 12. Найти молекулярную формулу бинарного водородного соединения азота, содержащего 12,5% водорода, если его плотность по водороду 16.
Решение. Используя атомные массы водорода и азота и их массовое содержание, найдем отношение числа атомов азота (х) к числу атомов водорода (у) в молекуле: х : у = (87,5/14) : (12,5/1) = 6,25 : 12,5 = 1 : 2.
Таким образом, простейшая формула соединения NH2 c условной молекулярной массой M’ = 16. Истинную молекулярную массу соединения найдем по его относительной плотности по водороду:
М = DH2M(H2) = 162 = 32
Отношение истинной молекулярной массы к условной:
n = M/M’ = 32/16 = 2
определяет величину множительного коэффициента при переходе от простейшей к молекулярной формуле соединения:
(NH2)n = (NH2)2 = N2H4
Следовательно, молекулярная формула данного водородного соединения азота N2H4 и соединение является гидразином.
Пример 13. При сжигании 4,6 г органического соединения было получено 8,8 г CO2 и 5,4 г H2O. Определить молекулярную формулу соединения, если плотность его паров по воздуху 1,586.
Решение. Так как 1 моль углекислого газа (44 г) содержит один моль атомов углерода (12 г), то в 8,8 г CO2 содержится:
m(C) = (12/44)8,8 = 2,4 г
Аналогично определяем массу водорода в 5,4 г воды:
m(H) = (2/18)5,4 = 0,6 г
Суммарная масса углерода и водорода в сгоревшем органическом соединении с массой 4,6 г составляет только 3 г, что указывает на присутствие в нем также атомов кислорода:
m(O) = 4,6 – 3 = 1,6 г
Таким образом, массовое соотношение атомов C, H и O, входящих в состав соединения c простейшей формулой СхНуОz, составляет:
m(С) : m(H) : m(O) = 2,4 : 0,6 : 1,6
и с учетом относительных атомных масс:
х : у : z = 2 : 6 : 1
Следовательно, простейшая формула соединения - С2Н6О с условной молекулярной массой M’ = 46.
Истинную молекулярную массу соединения найдем по его относительной плотности по воздуху:
М = DBMB = 1,58629 = 46
Равенство истинной и условной молекулярных масс показывает, что молекулярная формула соединения совпадает с его простейшей формулой С2Н6О.
Упражнения:
84. Установить молекулярную формулу вещества, состоящего из углерода, водорода и кислорода, если отношения их масс - 6 : 1 : 8 и плотность пара вещества по воздуху 2,07.
85. Определить молекулярную формулу соединение бора с водородом при содержании в нем 78,18% бора и плотности паров по водороду 13,71.
86. При сжигании 0,24 г некоторого соединения NxHy получено 0,27 г воды и 168 мл азота (при 0 0С и 101,3 кПа). Плотность пара водородного соединения азота по воздуху 1,1. Определить молекулярную формулу соединения.
87. Фтороводород содержит 50% фтора и при некоторой температуре плотность его пара по водороду равна 20. Какова молекулярная формула фтороводорода при этой температуре? Как изменяется молекулярная формула фтороводорода, если при повышении температуры плотность его пара становится равной 10?