1.14. Определение молекулярных масс соединений

Молекулярные массы газообразных или легколетучих веществ можно определить с помощью закона Авогадро (напоминаем его формулировку: равные объемы газов при одинаковой температуре и одинаковом давлении содержат равное число молекул), из которого следует, что массы равных объемов двух газов относятся друг к другу, как их молекулярные или численно равные им молярные массы:

=

Отношение m₁ : m₂ называется относительной плотностью первого газа по второму и обозначается символом D:

D = = ,

Из него следует:

M₁ = D∙M₂,

т.е. молекулярная масса газа равна его плотности по отношению ко второму газу, умноженной на молекулярную массу второго газа.

Плотность газов обычно определяют по отношению к водороду или воздуху. Молекулярная масса водорода равна 2, а средняя молекулярная масса воздуха 29, поэтому уравнения для расчета молекулярной массы имеют вид:

M_r = 2∙D(H₂); M_r = 29∙D(возд)

Пример 1.27. Плотность некоторого газа по воздуху равна 1,517. Определите молекулярную массу газа.

Решение.

M_r = 29·1,517 = 44 (а.е.м.)

Молярную массу газообразного вещества (а следовательно, и его относительную молекулярную массу) можно определить по молярному объему.

Пример 1.28. Определите молярную массу газа, если при н.у. 0,180 г этого газа занимают объем 0,126 л.

Решение. 1) При н.у. один моль любого газа занимает объем 22,4 л. Следовательно, вычислив массу 22,4 л данного газа, мы узнаем его молярную и молекулярную массу. Рассуждаем так:

0,180 г газа занимает объем 0,126 л

x г газа занимает объем 22,4 л

2) Составляем и решаем пропорцию:

= 32,0 г

Следовательно, молярная масса газа равна 32,0 г/моль, а молекулярная масса 32,0 (а.е.м.).

Молярную и молекулярную массу газа или легколетучего соединения можно вычислить по уравнению Клайперона – Менделеева, если свойства этого газа не очень сильно отличаются от свойств идеального газа.

Пример 1.29. Вычислите молярную массу ацетона, если масса 0,5 л его паров при 87 ⁰С и давлении 96 кПа равна 0,93 г.

Решение. Из уравнения Клайперона – Менделеева выражаем и вычисляем М, подставляя массу паров в граммах (0,93 г), давление в паскалях (96000 Па), объем в м³ (0,5·10^-3 м³) и температуру в абсолютных градусах (360 К):

PV = RT; M = = = 58 г/моль

Для твердых и жидких веществ – неэлектролитов, растворяющихся без диссоциации молекул на ионы, молекулярная масса определяется по свойствам их растворов: по понижению температуры замерзания раствора (криоскопический метод), по повышению температуры кипения (эбуллиоскопический метод), по понижению давления пара над раствором (тоноскопический метод) и по осмотическому давлению (осмотический метод). Эти методы рассматриваются при изучении растворов в университетском курсе химии.

1.15. Установление формул соединений

Формулы соединений показывают, какие элементы и в каком количестве входят в состав вещества. Различают формулы простейшие и истинные. Простейшая формула выражает соотношение атомов в формуле соединения наименьшими целыми числами, которые определяются по результатам анализа состава соединения.

Пример 1.30. Определите простейшую формулу соединения, в состав которого входят калий (31,90 %), хлор (28,93 %) и кислород (39,17 %).

Решение. 1) Обозначаем числа атомов калия, хлора и кислорода в соединении как x, y и z; тогда его формула имеет вид K_xCl_yO_z. Атомные массы элементов равны 39,098 (калий), 35,453 (хлор) и 15,999 (кислород). Принимаем массу соединения произвольно равной 100 г; тогда массы калия, хлора и кислорода, входящие в состав соединения, равны 31,90 г, 28,93 г и 39,17 г, соответственно.

2) Вычисляем количество каждого элемента в 100 г соединения:

x = = 0,816 моль; y = = 0,816 моль; z = = 2,448 моль

3) Выражая отношение количеств элементов в соединении целыми числами:

x : y : z = 0,816 : 0,816 : 2,448 = 1 : 1 : 3,

и получаем простейшую формулу соединения: KClO₃ (хлорат натрия).

Для неорганических соединений немолекулярного строения простейшая формула является истинной. В случае молекулярных соединений, в особенности органических, истинная (молекулярная) формула может быть сложнее, чем простейшая: истинная формула содержит числа атомов, кратные их числам в простейшей формуле. В этом случае истинная формула соединения устанавливается по его молекулярной массе.

Пример 1.31. Газообразное соединение содержит 82,64 % углерода и 17,36 % водорода. Плотность его по водороду равна 29. Определите истинную формулу соединения.

Решение. 1) Записываем формулу соединения как C_xH_y. Принимаем массу соединения 100 г; тогда масса углерода составит 82,64 г, а масса водорода 17,36 г.

2) Вычисляем количества каждого элемента в соединении и выражаем их целыми числами:

x = = 6,88 моль; y = = 17,36 моль;

x : y = 6,88 : 17,36 = 2 : 5

Таким образом, простейшая формула соединения C₂H₅. Этой формуле соответствует молекулярная масса 29.

3) По условию задачи молекулярная масса M = 2·29 = 58. Следовательно, истинная формула соединения C₄H₁₀.