На их основе составляются схемы и уравнения химических реакций , а также химическая классификация и номенклатура веществ . Одним из первых начал использовать их русский химик А. А. Иовский .
Химическая формула может обозначать или отражать :
- 1 молекулу (а также ион , радикал …) или 1 моль конкретного вещества ;
- качественный состав: из каких химических элементов состоит вещество;
- количественный состав: сколько атомов каждого элемента содержит молекула (ион, радикал…).
Например, формула HNO 3 обозначает:
- 1 молекулу азотной кислоты или 1 моль азотной кислоты;
- качественный состав: молекула азотной кислоты состоит из водорода , азота и кислорода ;
- количественный состав: в состав молекулы азотной кислоты входят один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода.
Виды
В настоящее время различают следующие виды химических формул:
- Простейшая формула . Может быть получена опытным путём через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов. Так, простейшая формула воды будет H 2 O, а простейшая формула бензола CH (в отличие от C 6 H 6 - истинной, ). Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество - числами в формате нижних индексов.
- Истинная формула . Молекулярная формула - может быть получена, если известна молекулярная масса вещества. Истинная формула воды Н 2 О, что совпадает с простейшей. Истинная формула бензола С 6 Н 6 , что отличается от простейшей. Истинные формулы также называют брутто-формулами . Они отражают состав, но не структуру молекул вещества. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. Этому количеству отвечает [нижний] индекс - маленькая цифра после символа соответствующего элемента. Если индекс равен 1, то есть в молекуле присутствует только один атом данного элемента, то такой индекс не указывают.
- Рациональная формула . В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений. Например, для спиртов выделяется группа -ОН . При записи рациональной формулы такие группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, которые ставятся сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки применяются для отражения структуры комплексных соединений . Например, К 4 - гексацианокобальтат калия . Рациональные формулы часто встречаются в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества.
- Формула Маркуша представляют собой формулу, в которой выделяется активное ядро и некоторое количество вариантов заместителей, объединяемых в группу альтернативных структур. Она является удобным способом обозначения химических структур в обобщенном виде. Формула относится к описанию целого класса веществ. Использование «широких» формул Маркуша в химических патентах приводит к массе проблем и дискуссий.
- Эмпирическая формула . Разные авторы могут использовать этот термин для обозначения простейшей , истинной или рациональной формулы.
- Структурная формула . В графическом виде показывает взаимное расположение атомов в молекуле. Химические связи между атомами обозначаются линиями (чёрточками). Различают двумерные (2D) и трёхмерные (3D) формулы. Двумерные представляют собой отражение структуры вещества на плоскости (также скелетная формула - попытки приблизить 3D-структуру на 2D-плоскости). Трёхмерные [пространственные модели] позволяют наиболее близко к теоретическим моделям строения вещества представлять его состав, и, зачастую (но не всегда), более полное (истинное) взаимное расположение атомов, угол связи и расстояния между атомами.
- Простейшая формула: С 2 Н 6 О
- Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: С 2 Н 6 О
- Рациональная формула: С 2 Н 5 ОН
- Рациональная формула в полуразвернутом виде: СН 3 СН 2 ОН
- Структурная формула (3D):
Простейшей формуле С 2 Н 6 О в равной мере может соответствовать и диметиловый эфир (рациональная формула; структурная изомерия): СН 3 -О-СН 3 .
Существуют и другие способы записи химических формул. Новые способы появились в конце 1980-х с развитием персональной компьютерной техники (SMILES , WLN, ROSDAL, SLN и др.). В персональных компьютерах для работы с химическими формулами также используются специальные программные средства, называемые молекулярными редакторами .
Примечания
- Основные понятия химии (неопр.) (недоступная ссылка) . Дата обращения 23 ноября 2009. Архивировано 21 ноября 2009 года.
- Различают эмпирическую и истинную формулы. Эмпирическая формула выражает простейшую формулу вещества (химического соединения), которую устанавливают путём элементного анализа. Так, анализ показывает, что простейшая , или эмпирическая , формула некоторого соединения соответствует CH. Истинная формула показывает, какое количество таких простейших групп CH содержится в молекуле. Представим истинную формулу в виде (CH) x , тогда при значении x = 2 имеем ацетилен C 2 H 2 , при x= 6 - бензол C 6 H 6 .
- Строго говоря, нельзя употреблять термины «молекулярная формула
» и «молекулярная масса
» соли, поскольку в солях нет молекул, а имеются только упорядоченные решётки, состоящие из ионов . Ни один из ионов натрия [катион] в структуре хлорида натрия не «принадлежит» какому-либо конкретному хлорид-иону [аниону]. Правильно говорить о химической формуле
соли & соответствующей ей формульной массе
. Поскольку химическая формула
(истинная
) хлорида натрия - NaCl, формульная масса
хлорида натрия определяется как сумма атомных масс одного атома натрия и одного атома хлора:
1 атом натрия: 22,990 а. е. м.
1 атом хлора: 35,453 а. е. м.
-----------
Итого: 58,443 а. е. м.
Принято называть эту величину «
10-1. Напишите уравнения реакций взаимодействия с водой следующих
соединений: SOCl2, PCl3, P2S5, Al4C3, LiAlH4, NaHCO3, Na2SiO3.
10-2. В лаборатории имеется пять колб с водными растворами различных
веществ. На первой колбе написано «гидроксид бария», на второй – «иодид
калия», на третьей – «карбонат натрия», на четвертой – «соляная кислота» и на
пятой – «нитрат меди». Этикетки перепутаны таким образом, что ни один из
растворов не подписан правильно. При сливании раствора из второй колбы с
раствором из третьей колбы выделяется газ, раствор при этом остается
прозрачным. При смешивании раствора из второй колбы с содержимым
четвертой колбы образуется белый осадок, цвет раствора не изменяется.
1. Укажите правильные надписи для колб №№ 1–5.
2. Напишите уравнения реакций, упомянутых в условии.
3. Какие еще реакции можно провести между указанными веществами?
10-3. Три органических вещества являются изомерами. При сжигании они
образуют только CO2 и воду. Молекулярная масса каждого из этих веществ
составляет 60, при этом массовая доля водорода в молекуле в 6 раз меньше, чем
массовая доля углерода.
1. Определите состав веществ, предложите их возможное строение.
2. Какие из указанных соединений взаимодействуют с а) водным
раствором гидроксида натрия. в) свежеосажденным гидроксидом меди?
Напишите уравнения реакций.
10-4. Разбирая на полках обезболивающие препараты, фармацевт наткнулся на
банку с белыми кристаллами. Фирменная этикетка почти стерлась, и можно
было прочесть только часть названия вещества: «S-2-(пара-изо...)-
про...овая…….». На титрование водного раствора 1,0 грамма этих кристаллов
было израсходовано 4,85 мл 1 М раствора NaOH. Элементный анализ показал,
что помимо углерода и водорода, вещество содержит 15,5% кислорода по массе.
Попробуйте по имеющимся данным восстановить брутто-формулу, а затем и
структуру этого соединения. Обоснуйте свой выбор.
10-5. Навеску минерала энаргит массой 3,95 г подвергли обжигу в избытке
кислорода. При обжиге получено 896 мл (н.у.) газа А с плотностью по водороду
32, а также 3,55 г смеси двух твердых продуктов Б и В. При обработке смеси Б
и В разбавленным раствором гидроксида натрия вещество Б растворилось с
образованием соли трехосновной кислоты. Молекула этой кислоты содержит
45,10% кислорода по массе. Нерастворившийся остаток представляет собой
вещество В массой 2,40 г, оно растворимо в разбавленной серной кислоте с
образованием голубого раствора.
1. Определите количественный состав (формулу) энаргита
2. Определите степени окисления входящих в его состав элементов. К
какому классу соединений можно отнести этот минерал?
3. Напишите уравнения упомянутых реакций.
10-6. При кипячении 100 г раствора, содержащего вещество А, выделилось
0,448 л оксида углерода(IV) (н.у.). После прекращения выделения газа раствор
осторожно упарили, получив 5,72 г вещества. При прокаливании масса этого
вещества уменьшилась на 3,60 г.
1. Что представляет собой вещество А?
2. Определите массовую долю вещества в растворе, полученном после
прекращения выделения газа, если при кипячении объем раствора не изменился.
Решения
10-1.
SOCl2 + H2O = SO2 + 2 HCl либо SOCl2 + 2 H2O = H2SO3 + 2 HCl
PCl3 + 3 H2O = H3PO3 + 3 HCl
P2S5 + 8 H2O = 2 H3PO4 + 5 H2S
Так как количество воды не указано, то реакции с образованием других фосфорных кислот, например, HPO3, тоже являются правильным решением. Однако писать в продуктах оксид фосфора - неправильно, так как он очень гигроскопичен и взаимодействует с водой гораздо быстрее, чем исходный сульфид.
Al4C3 + 12 H2O = 4 Al(OH)3 + 3 CH4
LiAlH4 + 4 H2O = + 4 H2
NaHCO3 в воде гидролизуется с образованием щелочной среды.
Гидролиз лучше писать в ионном виде, однако любой способ написания оценивался как правильный.
HCO32– + H2O = H2CO3 + OH–
То же самое верно относительно силиката натрия Na2SiO3
SiO32– + H2O = HSiO3– + OH–
10-2.
1. Выделение газа (без образования осадка) означает, что слили растворы
карбоната натрия и соляной кислоты: Na2CO3 + 2 HCl = 2 NaCl + CO2 + H2O (колбы № 2+ № 3)
Образование белого осадка соответствует Na2CO3 + Ba(OH)2 = BaCO3 + 2 NaOH (№ 2 + № 4)
Вторая колба встречается в обоих случаях, следовательно это карбонат натрия
№2 - карбонат натрия
№3 - соляная кислота
№4 - гидроксид бария
Остались №1 и №5 - иодид калия и нитрат меди. Так как все колбы подписаны неправильно, то №1 - нитрат меди, а №5 - иодид калия (наоборот быть не может, так как номер 5 подписан как нитрат меди).
Другие реакции, которые можно провести между указанными веществами:
2 Cu(NO3)2 + 2 Na2CO3 + H2O = (CuOH)2CO3 + CO2 + 4 NaNO3
Cu(NO3)2 + Ba(OH)2 = Cu(OH)2 + Ba(NO3)2
2 Cu(NO3)2 + 4 KI = 2 CuI + I2 + 4 KNO3
Ba(OH)2 + 2 HCl = BaCl2 + 2H2O
10-3.
Судя по продуктам сгорания, вещество содержит только C, H и O.
Так как соотношение C и H по массе 6: 1, то атомное отношение = 1: 2.
Углеводорода с таким соотношением и молекулярной массой 60 быть не может,
в молекуле должен быть еще и кислород. Подходит C2H4O2.
В качестве изомеров можно предложить
CH3COOH уксусная кислота
HCOOCH3 метилформиат
HOCH2–CHO гликолевый альдегид
Реакции: а) с водным раствором NaOH
CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O нейтрализация, образование ацетата натрия
HCOOCH3 + NaOH HCOONa + CH3OH щелочной гидролиз
HOCH2–CHO + NaOH NaOCH2–CHO + H2O (частично)
б) с гидроксидом меди
CH3COOH + Cu(OH)2 (CH3COO)2Cu + 2H2O нейтрализация, образование ацетата меди
HOCH2–CHO + 2 Cu(OH)2 HOCH2–COOH + Cu2O + 2 H2O окисление
10-4.
По названию очевидно, что вещество ароматическое, оно содержит пара-замещенное
бензольное кольцо, скорее всего это кислота.
Расчет по титрованию. Количество NaOH пошедшее на титрование: 0,00485 моль
Предположим, что кислота одноосновная.
Тогда ее молярная масса составляет 1 / 0,00485 = 206,18.
анализа можно узнать количество атомов кислорода: 206,2 х 0,155 = 32, два атома О,
т.е. в молекуле только карбоксильная группа, больше кислорода нет.
С учетом наличия одной группы COOH и бензольного кольца, можно определить,
что брутто формула вещества -C13H18O2
Обратив внимание на то, что бензольное кольцо замещено в пара-положение,
карбоновая кислота (скорее всего пропионовая) замещена в положение 2,
В минералогии важно суметь рассчитать формулу минерала по результатам его химического анализа. В этом разделе приводится ряд примеров таких расчетов для разных минералов. Когда подсчеты произведены и получена структурная формула, становится ясным, совпадает ли она с кри-сталлохимическими данными по минералу. Следует отметить, что если даже общая сумма компонентов в анализе оказывается равной 100%, это не всегда означает, что состав минерала определен верно и точно.
5.7.1 Расчет анализа сульфидов
В случае сульфидных минералов результаты анализов обычно выражаются в массовых процен-
Таблица 5.1 Результаты химического анализа железосодержащего сфалерита из месторождения Ренстрём, Сев. Швеция (по R. С. Duckworth and D. Richard, Mineral. Mag. 57: 83-91, 1993)
|
Элемент |
Mac.% |
Атомные |
Атомные |
|
количества |
соотношения |
||
|
при S = 1 |
|||
|
57,93 |
0,886 |
0,858 |
|
|
8,21 |
0,1407 |
0,136 |
|
|
33,09 |
1,032 |
1,000 |
|
|
Сумма |
99,23 |
тах (мас.%) элементов. Расчет формулы по данным таких анализов представляет собой простую арифметическую задачу. В приведенном ниже примере железосодержащего сфалерита (табл. 5.1) в качестве первого шага следует разделить содержание каждого элемента в массовых процентах на его атомную массу для получения мольной доли этого элемента. Структурная формула железосодержащего сфалерита выглядит как (Zn, Fe)S, и поэтому, чтобы результаты имели правильные соотношения, необходимо привести к единице либо сумму мольных долей Zn и Fe, либо мольную долю S. Используемая формула, допускающая как полностью катионную, так и полностью анионную решетку, справедлива для рассматриваемого случая, и если результаты анализа верны, то рассчитанные обоими способами формулы должны совпадать. Так, приводя S к единице и округляя получаемые значения до второго знака, получаем формулу (Zn 086 Fe 014) 100 S. У некоторых сульфидных минералов (например, пирротина Fe 1-x S) наблюдается нестехиометрическое содержание катионов. В таких случаях анализы следует рассчитывать, основываясь на количестве ионов серы.
5.7.2 Расчет силикатного анализа
Результаты анализов породообразующих минералов (см., например, анализ граната в табл. 5.2) обычно выражают в массовых процентах оксидов. Расчет анализа, представленного в таком виде, несколько более сложен и включает ряд дополнительных операций.
молекулярную массу, что дает относительное содержание оксидных молекул (столбец 2).
2. Рассчитать атомные количества кислорода. Для этого каждое значение столбца 2 умножается на число атомов кислорода в соответствующих оксидах, что дает относительное содержание кислородных атомов, вносимых в формулу каждым элементом (столбец 3).
В нижней части столбца 3 приведено общее число атомов кислорода (2,7133).
3. Если мы хотим получить формулу граната на основе 12 атомов кислорода, то необходимо пересчитать соотношения кислородных атомов таким образом, чтобы их общее число равнялось 12. Для этого цифры столбца 3 для каждого оксида умножаются на 12/Т, где Т -общее количество кислорода из столбца 3. Результаты приведены в столбце 4.
4. Рассчитать соотношения атомов для различных катионов. С этой целью числа столбца 4 нужно умножить или разделить на значения этих соотношений, определяемые стехиометрией. Так, например, у SiO 2 имеется один кремний на два кислорода. Поэтому соответствующее число столбца 4 делится на 2. У А1 2 0 3 на каждые три атома кислорода приходится два атома алюминия, и в этом случае число столбца 4 умножается на 2/3. Для двухвалентных катионов числа в столбцах 4 и 5 совпадают.
Таблица 5.2 Результаты химического анализа граната, рудник Уесселтон, Кимберли, ЮАР (по A.D. Edgar and Н.Е. Charbonneau, Am.Mineral. 78: 132-142, 1993)
|
Оксид |
ММас.% оксидов |
Молекулярные количества оксидов |
Атомные количества кислорода в молекуле |
Число анионов в расчете на 12 атомов О, т. е столбец (3) x 4,422 |
Число катионов в формуле |
|
Si0 2 |
40,34 |
0,6714 |
1,3426 |
5,937 |
Si 2,968 |
|
A1 2 0 3 |
18,25 |
0,1790 |
0,537 |
2,374 |
Al 1,582 |
|
4,84 |
0,0674 |
0,0674 |
0,298 |
Fe 0,298 |
|
|
0,25 |
0,0035 |
0,0035 |
0,015 |
Mn 0,015 |
|
|
Ti0 2 |
2,10 |
0,0263 |
0,0526 |
0,232 |
Ti 0,116 |
|
Cr 2 0 3 |
2,22 |
0,0146 |
0,0438 |
0,194 |
Cr 0,129 |
|
18,77 |
0,3347 |
0,3347 |
1,480 |
Ca 1,480 |
|
|
13,37 |
0,3317 |
0,3317 |
1,467 |
Mg 1,467 |
|
|
Сумма |
100,14 |
2,7133 |
|||
|
12/2,7133 = 4,422 |
Количества катионов в формуле, соответствующие установленному числу атомов кислорода (12) и приведенные в столбце 5, могут быть сгруппированы показанным в таблице образом в соответствии со структурной формулой граната A 3 B 2 [(Si, Al)0 4 ], где А - двухвалентные катионы (Ca, Mg, Fe, Mn), а В - трехвалентные катионы (Al,Cr), а также Ti 4 +. Дефицит Si компенсируется за счет Al, который берется в таком количестве, чтобы целиком заполнить тетраэдр ические позиции. Оставшиеся атомы алюминия относятся к позиции В,
Чтобы быстро оценить правильность выполненных арифметических действий, нужно проверить баланс валентностей, просуммировав положительные и отрицательные заряды.
5.7.3 Расчет анализа при наличии разных анионов
В последнем примере мы кратко рассмотрим расчет формулы по результатам анализа при наличии в составе минерала разных анионов (табл. 5.3). В нашем случае минерал представлен фтор-апатитом Са 5 (РО 4) 3 ^,0,ОН), который помимо
Таблица 5.3 Результаты химического анализа апатита
|
Оксиды |
(!) ~ |
(2.) |
Ч 4) Число ка |
|
|
Мас.% |
Молеку |
Молеку |
||
|
лярные |
лярные |
тионов в |
||
|
коли |
количест |
расчете на |
||
|
Na 2 O K 2 O P 2 O 5 H 2 O Сумма O=FjCl Сумма |
55,08 0,32 0,02 0,05 0,03 0,04 0,0! 42,40 1,63 0,20 1,06 100,84 -0,72 100,12 |
чества 0,9822 0,0020 0,0003 0,0012 0,0003 0,0006 0,0001 0,2987 0,0858 0,0056 0,0567 0,0914 3/2, 5409 = |
ва кислорода 0,9822 0,0060 0,0003 0,0012 0,0003 0,0006 0,0001 1,4935 0,0858 0,0056 0,0567 0,0914 2,5409 4, 9386 |
13 анионов (4,9386) 4,85 0,02 0,01 0,01 2,95 0,42 0,03 0,56 |
кислорода содержит F и Cl. Результаты анализа опять-таки выражены в массовых процентах оксидов, хотя на самом деле некоторые из них являются галоидами. В таких случаях необходимо скорректировать общую сумму кислорода посредством учета количества его молей, эквивалентного присутствующим галоидам.
Итак, расчет включает следующие этапы.
Для этого число молей, указанное в столбце 2, необходимо умножить на стехиометрическое
число аниона. Не забудьте вычесть кислород, эквивалентный (в данном случае 0,0914 молей) присутствующим в минерале F и Cl (стол бец 3).
3. Просуммировать количество анионов, не забывая вычесть 0,0914 молей кислорода, связанных с присутствующими F и Cl (получится 2,5409).
4. Если мы хотим получить формулу апатита, основанную на 13 анионах, то нам необходимо пересчитать соотношения анионов таким образом, чтобы их общее число равнялось 13. Для этого каждый из них умножается на 13/2,5409, т.е. на 4,9386.
5. Рассчитать соотношения атомов различных катионов. Для этого нужно приведенные в столбце 2 молекулярные количества умножить на 4,9386, а затем умножить или разделить полученные величины на значения этих соотношений, определяемые стехиометрией оксидов. Например, у P 2 O 5 на моль оксида приходится два атома фосфора. Окончательные результаты приведены в столбце 4.
Литература для дальнейшего изучения
1. Goldstein, J. L, Newbury, D. E., Echhn, P., Joy, D. С., FiOTi, C. and Lifshm, E. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. New York, Plenum, 1984.
2. Marfunin, A. S. (ed.]. Methods and Instrumentation: Results and Recent Developments, vol. 2 of Advanced Mineralogy Berlin, Springer-Verlag, 1985.
3. Willard, H. H., Merntt, L. L., Dean, J. A. and Settle, F. A. Instrumental Methods of Analysis, 7th edn. Belmont, CA, Wadsworth, 1988.
Дополнение редактора
1. Гаранин В. К., Кудрявцева Г. П. Применение элек-тронно-зондовых приборов для изучения минерального вещества. M , Недра, 1983, 216 с.
2. ЛапутинаИ.П. Микрозонд в минералогии. M., На ука, 1991, 139 с.
Физические свойства минералов определяются взаимодействием между структурой и химическим составом. В число этих свойств входят и такие, которые влияют на внешний вид минерала, например, его блеск и цвет. Другие свойства сказываются на физических характеристиках минералов - твердости, пьезоэлектричестве, магнетизме. Сначала мы рассмотрим плотность минералов, поскольку это свойство находится в прямой связи с их структурой и составом.
Простейшие химические расчеты. Основные понятия и законы химии Химическая символика Химический знак (символ химического элемента) применяется как сокращение для названия элемента. В качестве знака обычно берут одну или две буквы от латинского названия элементов. Си - медь (cuprum), Аи - золото (Aurum) и т. п. Система химических знаков была предложена в 1811 г. шведским ученым Я. Верцелиусом. Химический знак обозначает: [Г) название элемента; 1 моль его атомов; |Т] атомный номер; [б] относительную атомную массу элемента. Химические расчеты Химическая формула - выражение состава вещества при помощи химических знаков. Из химической формулы можно узнать: (TJ название вещества; (2] одну его молекулу; сколько моль атомов каждого элемента содержит один моль вещества. Характеризуя соотношение между массовыми количествами элементов, входящих в состав вещества, формула дает возможность расчета массы каждого элемента в соединении и его массовую долю. Пример 1 Рассчитайте массовую долю водорода в аммиаке. Дано: М(N) =14 г/моль М(Н) = 1 г/моль Найти: ш(Н) Решение: 1) Определяем хмолярную массу NH3: M(NH3) =14 + 1- 3 = 17 г/моль. 2) Определяем массу аммиака в количестве вещества 1 моль: m(NH3) = 1 моль 17 г/моль = 17 г. 3) Из формулы аммиака следует, что количество вещества атомарного водорода в 3 раза больше количества вещества NH3: v(H) - 3v(NH3), v(H) = 3-1 = 3 моль. 4) Рассчитываем массу водорода: т = v М; т(Н) = 3 1 = 3 г. 5) Находим массовую долю водорода в аммиаке: ц;(Н) = - = 0,176 или 17,6%. 17 Ответ: w(H) = 17,6 %. КГ Пример 2 Рассчитайте массу фосфора, которую можно получить из 620 кг ортофосфата кальция. Дано: m(Ca3(P04)2) = 620 кг Найти: т(Р Решение: 1) Определяем молярную массу Са3 (Р04)2: М(Са3 (Р04)2) = 40 3 + 31 2 + 16 8 = 310 г/моль. 2) Рассчитываем количество вещества ортофосфа та кальция: = 2 03 моль. 3) Из формулы ортофосфата кальция следует, что количество вещества атомарного фосфора в 2 раза больше количества вещества Са3(Р04)2: v(P) = 2v(Ca3(P04)2), v(P) = 2 2 103 - 4 103 моль. 4) Находим массу фосфора; т(Р) - 4 103 31 = 124 кг. Ответ: т(Р) = 124кг. Различают простейшие и истинные (молекулярные) формулы. Простейшая формула выражает наименьшее отношение между числами атомов элементов, входящих в молекулу. Истинная формула показывает действительное число атомов в молекуле, отвечающее наименьшему соотношению. Для установления истинной формулы нужно знать не только массовый состав вещества, но и его молекулярную массу. w(С) = 75 % Найти: Решение: 1) Выбираем массу неизвестного соединения за 100 г. Тогда массы элементов Н и С равны: Э Пример 3 Выведите формулу соединения, содержащего 25 % водорода и 75 % углерода. /п(Н) = 100-0,25 = 25 г, m(C) = 100 0,75 = 75 г. 2) Определяем количества веществ атомарных элементов Н и С: 25 75 v(H) = -- = 25 моль, v(C) = -- = 6,25 моль. 1 А/ 3) Составляем количественное отношение веществ: v(H): v(C) - 25: 6,25. 4) Делим правую часть пропорции на меньшее число (6,25) и получаем соотношение атомов в формуле неизвестного соединения: *(С): у(Н) =1:4. Простейшая формула соединения - СН4. Ответ: СН4. Пример 4 При полном сгорании 2,66 г некоторого вещества образовалось 1,54 г оксида углерода (IV) и 4,48 г оксида серы (IV). Плотность пара этого вещества по воздуху равна 2,62. Выведите истинную формулу этого вещества. Дано: m(C02) = 1,54 г m(S02) = 4,48 г Найти: истинную формулу вещества Решение: 1) Рассчитываем количества веществ оксида углерода (IV) и оксида серы (IV): 1,54 v(C02) = --- = 0,035 моль, 44 4,48 v(S02) ~ -ГТ~ = 0,07 моль. 64 2) Определяем количества веществ атомарных углерода и серы: v(C) = v(C02) - 0,035 моль, v(S) = v(S02) = 0,07 моль. 3) Находим массы углерода и серы: /72(C) = 0,035-12 «0,42 г, m(S) = 0,07 32 « 2,24 г. Суммарная масса этих элементов составляет 2,66 г и равна массе сжигаемого вещества. Следовательно, оно состоит только из углерода и серы. 4) Находим простейшую формулу вещества: v(C): v(S) - 0,035: 0,07 - 1:2. Простейшая формула - CS2. 5) Определяем молярную массу CS2: M(CS2) = 12 + 32 2 = 76 г/моль. 6) Рассчитываем истинную формулу вещества: Af = 29 1> = 29 2,62 - 76 г/моль. ИСТ. ВОЭД. * " Таким образом, истинная формула вещества совпадает с простейшей. Ответ: Л/ист - 76 г/моль. Пример 5 Выведите истинную формулу органического соединения, содержащего 40,03 % С, 6,67 % Н и 53,30 % О. Молярная масса данного соединения равна 180 г/моль. Дано: и>(С) = 40,03 % ш(Н) - 6,67 % ш(0) = 53,30% т(СхНу02) = 180 г/моль Найти: схяуог Решение: 1) Обозначим число атомов углерода через х, число атомов водорода - у, число атомов кислорода - г. 2) Делим процентное содержание элементов соответственно на величины их относительных атомных масс и находим соотношения между атомами в молекуле данного соединения: 40,03 6,67 53,30 х:у: z = 3,33: 6,67: 3,33. 3) Приводим найденные величины к целочисленным значениям: х: у: г = 1: 2:1. Простейшая формула органического соединения будет СН20. Молярная масса составляет: (12 + 2 + 16)-30 г/моль. Молярная масса простейшей формулы в 6 раз 180:30 = 6 меньше молярной массы истинной формулы этого соединения. Поэтому для вывода истинной формулы органического соединения надо число атомов умножить на 6. Тогда получим С6Н1206. Ответ: СбН12Об. Пример 6 Установите формулу кристаллогидрата хлорида кальция, если при прокаливании 6,57 г его выделилось 3,24 г сконденсировавшейся воды. Дано: /л(СаС12 *Н20) = 6,57 г m(H20) = 3,24 г Найти: формулу кристаллогидрата Решение: 1) Рассчитаем массу безводной соли СаС12, содержащейся в кристаллогидрате: т(СаС12) - 6,57 - 3,2 = 3,33 г. 2) Определяем количества веществ СаС12и Н20: 3 33 v(CaCL) - ---- 0,03 моль, 111 3,24 v(H90) --- 0,18 моль. 2 18 3) Находим формулу кристаллогидрата: v(CaCl2): v(H20) = 0,03: 0,18 = 1:6. Формула кристаллогидрата - СаС12 6H20. Ответ: СаС12 6Н20. Химическое уравнение - это изображение химической реакции при помощи химических знаков и формул. Уравнение характеризует как качественную сторону реакции (какие вещества вступили в химическую реакцию и какие получились в ходе ее), так и количественную (каковы количественные соотношения между массами или объемами для газов исходных веществ и продуктов реакции). Отражение уравнениями количественной стороны химических процессов позволяет производить на их основе различные расчеты: нахождение массы или объема исходных веществ для получения заданного количества продуктов реакции, массы или объема новых веществ, которые можно получить из данного количества исходных веществ, и т. п. Пример 7 Какую массу алюминия необходимо взять для восстановления железа из 464 г железной окалины? Дано: m(Fe304) = 464 г Найти: т(А1) Решение: 1) Записываем уравнение реакции и указываем количественные отношения необходимых веществ: 8А1 + 3Fe304 - 9Fe + 4А1203. 8 моль 3 моль 2) Определяем молярную массу Fe304: M(Fe304) - 56 3 + 16 4 = 232 г/моль. 3) Рассчитываем количество вещества железной окалины (Fe304): 464 v(Fe304) - -- = 2 моль. С помощью уравнения химической реакции можно рассчитать, какое вещество и в каком количестве взято в избытке (или недостатке) при взаимодействии заданных количеств реагирующих веществ. Пример 9 К раствору, содержащему 37,6 г азотнокислой меди, прибавили железных опилок массой 5,6 г. Рассчитайте, останется ли в растворе нитрат меди после окончания химической реакции. Дано: /n(Cu(N03)3) = 37,6 г m(Fe) - 5,6 г Найти: останется ли в растворе нитрат меди Решение: 1) Записываем уравнение реакции: Cu(N03)2 + Fe = Fe(N03)2 + Си. 2) Находим молярную массу Cu(N03)2: M(Cu(N03)2) = 64 + 14 2 + 16 6 - 188 г/моль. 3) Определяем количества веществ Cu(N03)2 и Fe: 37,6 v(Cu(N03)2) = -щ- = 0,2 моль, v(Fe) = - " =0,1 моль. 56 4) Рассчитываем количество вещества Си (N03)2 согласно уравнению реакции по пропорции: 1 моль Cu(N03)2 - 1 моль Fe v моль Cu(N03)2 - 0,1 моль Fe v(Cu(N03)2) = 0,1 моль. Сравнивая исходное количество Cu(N03)2 и требуемое для реакции, делаем заключение, что количество Cu(N03)2 взято в избытке. Расчет количества реагирующих веществ и продуктов реакции необходимо проводить по количеству вещества, взятого в недостатке. В нашем случае - по Fe. Рассчитываем количество вещества и массу Cu(N03)2 в растворе после реакции: v(Cu(N03)2) = 0,2 - 0,1 = 0,1 моль, m(Cu(N03)2) = 0,1 188 = 18,8 г. Ответ: m(Cu(N03)2) = 18,8 г. По химическому уравнению можно производить расчеты и в том случае, когда исходное вещество содержит некоторое заданное количество примесей. Пример 10 Вычислите, какое количество нитрита натрия образуется при прокаливании 1 кг чилийской селитры, содержащей 85 % NaN03. Дано: /п(селитры) = 1 кг to(NaN03) = 85 % Найти: m(NaN02) Решение: 1) Записываем уравнение реакции: 2NaN03 = 2NaN02 + 02|. 2) Определяем массу NaN03: т(селитры) to(NaN03) m(NaNOo) = 37 100 % 1 103- 85 % m(NaN03) = = 850 г. v(NaN03) = = 10 моль. 3) Определяем количество вещества NaN03: 850 85 4) Рассчитываем количество вещества NaN02 со гласно уравнению реакции по пропорции: 2 моль NaN03 - 2 моль NaN02 10 моль NaNO. - v моль NaNO., Находим массу NaN02: m(NaN02) = 10 69 = 690 г. Ответ: m(NaN02) = 690 г. На основе уравнения химической реакции (или химической формулы) производится решение задач на выход продукта. Пример 11 Песок массой 2 кг сплавили с избытком гидрокси-да калия, получив в результате реакции силикат калия массой 3,82 кг. Определите выход продукта реакции, если массовая доля оксида кремния (IV) в песке равна 90 %. Дано: т(песка) = 2 кг 0)(Si02) = 90 % m(K2Si03) = 3,82 кг Найти: 4(K2Si03) Решение: 1) Записываем уравнение реакции: Si02 + 2КОН = K2Si03 + Н20. 2) Определяем массу Si02: т(песка) 90 % 2>" шГ%-2 90 % т(8Ю^)=-тшг=1"8кг- 3) Определяем количество вещества Si02: 1,8-103 v(Si02) ---- = 30 моль. Ё-Ll 4) Рассчитываем количество вещества K2Si03 согласно уравнению реакции по пропорции: 1 моль Si02 - 1 моль K2Si03 30 моль Si02 - v моль K2Si03 v(K2Si03) = 30 моль. 5) Находим массу K2Si03, которая должна образоваться в соответствии с теоретическим расчетом: m(K2Si03) - 30 154 - 4620 г или 4,62 кг. 6) Рассчитываем выход продукта реакции: 3,82 100 % ллгтл/ Л-Щ--82.7%. Ответ: Ti(K2Si03) - 82,7 % . Задачи для самостоятельного решения 1. Вычислите массовую долю каждого из элементов в следующих соединениях хрома: a) Fe(Cr02)2; б) Cr2(S04)3; в) (NH4)2Cr04. 2. Вычислите массу меди, содержащейся в 444 г основного карбоната меди. Ответ: 256 г. 3. Вычислите массу железа, которую можно получить из 320 г красного железняка. Ответ: 224 г. 4. В каком количестве моль нитрата свинца содержится в: а) 414 г свинца; б) 560 г азота; в) 768 г кислорода. Ответ: а) 2 моль; б) 20 моль; в) 8 моль. 5. Вычислите массу фосфора, которую можно получить из 1 т фосфорита, содержащего 31 % ортофосфата кальция. Ответ: 62 кг. 6. Неочищенная глауберова соль содержит 94 % кристаллогидрата. Вычислите массу безводного сульфата натрия, которую можно получить из 6,85 т этого сырья. Ответ: 2,84 т. 7. Выведите простейшую формулу соединения, содержащего 44,89% калия, 18,37% серы и 36,74% кислорода. Ответ: K2S04. 8. Минерал медный блеск содержит 79,87% меди и 20,13 % серы. Найдите формулу минерала. Ответ: Cu2S. 9. Кальций или магний, сгорая в атмосфере азота, образуют соединения, содержащие соответственно 18,92 % и 27,75 % азота. Найдите формулы этих соединений. Ответ: Ca3N2; Mg3N2. 10. Углеводород содержит 85,72 % углерода и 14,28 % водорода. Найдите его формулу и определите, к какому гомологическому ряду он относится. Ответ: С2Н4. 11. Молярная масса соединения равна 98 г/моль. Определите формулу этого соединения, содержащего 3,03 % Н, 31,62% Р и 65,35% О. Ответ: Н3Р04. 12. При сжигании органического вещества, состоящего из углерода, водорода и серы, получено 2,64 г оксида углерода (IV), 1,62 г воды и 1,92 г оксида серы (IV). Найдите формулу этого вещества. Ответ: C2H6S. 13. Установите истинную формулу органического вещества, если при сжигании 2,4 г его было получено 5,28 г оксида углерода (IV) и 2,86 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 30. Ответ: С3Н80. 14. Установите формулу одного из кристаллогидратов сернокислого натрия, если при его обезвоживании потеря массы составляет 20,22 % от массы кристаллогидрата. Ответ: Na2S04 2Н20. 15. 0,327 г цинка растворили в серной кислоте и из полученного раствора выкристаллизовали 1,438 г кристаллогидрата соли цинка. Установите формулу кристаллогидрата. Ответ: ZnS04 7Н20. 16. При восстановлении оксида вольфрама (VI) водородом образовалось 27 г воды. Какая масса вольфрама может быть при этом получена? Ответ: 92 г. 17. Железную пластинку погрузили в раствор сульфата меди. Через некоторое время масса пластинки увеличилась на 1г. Какая масса меди осадилась на пластинке? Ответ: 8 г. 18. Определите, какое вещество и в каком количестве останется в избытке в результате реакции между 4 г оксида магния и 10 г серной кислоты. Ответ: 0,20 г H2S04. 19. Какой объем углекислого газа потребуется для превращения 50 г карбоната кальция в гидрокарбонат? Ответ: 11,2л С02. 20. Какого состава и в каком количестве образуется соль, полученная при взаимодействии раствора, содержащего 9 г едкого натра с углекислым газом, образовавшимся при сжигании 2,24 л метана? Ответ: 11,9 г Na2C03. 21. При разложении 44,4 г малахита получено 4,44 л оксида углерода (IV) (н. у.). Определите массовую долю (%) примесей в малахите. Ответ: 0,9%. 22. При обработке смеси магния и оксида магния массой 5 г хлороводородной кислотой выделилось 4 л (н. у.) водорода. Рассчитайте массовую долю магния в смеси. Ответ: 85,7%. 23. Какой объем аммиака (н. у.) будет получен при нагревании смеси 5,35 г хлорида аммония с 10 г гидро-ксида кальция? Ответ: 2,24 л. 24. Какая масса кремния, содержащая 8 % примесей, вступила в реакцию с раствором едкого натра, если при этом выделилось 5,6 л водорода (н. у.)? Ответ: 3,8 г. 25. Из природного фосфорита массой 310 кг получили фосфорную кислоту массой 195 кг. Вычислите массовую долю Са3(Р04)2 в природном фосфорите. Ответ: 99,5%.
