Методическое пособие по неорганической химии для студентов 1-го. Методическое пособие по неорганической химии для студентов 1го курса

• Название: Методическое пособие по неорганической химии для студентов 1го курса
• Дата: 08.05.2019
• Размер: 239.5 Kb.
• Имя файла: Методическое пособие по неорганической химии для студентов 1-го .doc
• Тип: Методическое пособие; #76456

ПРИЛОЖЕНИЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

“Основные понятия и законы химии ”

Методическое пособие по неорганической химии для студентов 1-го курса

химического факультета

Барнаул 2010
Эквиваленты простых и сложных веществ

Эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в окислительно-восстановительной реакции эквивалентна одному электрону. Единица количества эквивалента – моль. Например, в кислотно-основной реакции

3H₂SO₄ + 2Al(OH)₃Al₂(SO₄)₃ + 6 H₂O

шести ионам водорода (в трех реагирующих частицах H₂SO₄) соответствуют две частицы Al(OH)₃, следовательно, одному иону водорода эквивалентна одна треть частицы Al(OH)₃, т. е. 1 эквивалент Al(OH)₃ равен 1/3 Al(OH)₃. В реакции окисления-восстановления с участием перманганат-ионов, происходящей в кислой среде

MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^-Mn²⁺ + 4H₂O

один эквивалент MnO₄^- равен 1/5 этого иона. Числа 1/3 и 1/5 (в этих примерах) называют фактором эквивалентности, его обозначают f_экв.

Масса одного эквивалента вещества М_экв равна

M_экв = f_экв∙M (М – молярная масса).

Для определения эквивалента достаточно знать состав соединения данного элемента и его валентность. По существу, эквивалент – это выраженная в углеродных единицах масса вещества, приходящаяся на одну проявленную валентность или основность (кислотность):

М_экв = А/n, М_экв = М/n,

где Э – химический эквивалент; А – атомная масса элемента; М – молекулярная масса кислоты (основания); n – валентность в первой формуле, основность (кислотность) – во второй.

Закон эквивалентов – основная работа немецкого химика Иеремии Вениамина Рихтера (1793 г.); формулируется ученым таким образом: все вещества реагируют в эквивалентных отношениях.

Математическое выражение закона имеет вид:

m_A / m_B = M_Э(А) / M_Э(В) ,

где m_A , m_B – массы взаимодействующих веществ А и В; M_Э(А) , M_Э(В) - эквивалентные массы этих веществ. Либо для случая, когда одно или оба вещества находятся в газообразном состоянии:

m_A / V_B = M_Э(А) / V_Э(В); V_А/ V_B = V_Э(А) / V_Э(B) ,

где V_А, V_B – объемы взаимодействующих веществ А и В; V_Э(А), V_Э(B) – эквивалентные объемы этих веществ (л/моль).

Пример 1. Определите эквивалентное количество хлорида бария (моль), участвующее в обменной реакции с серной кислотой (образуется сульфат бария), если в реакцию вступило 0,125 моль H₂SO₄.

Решение:

_nЭ(B) = ? H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄+ 2HCl

_nA = 0,125 моль SO₄^2- + Ba²⁺ = BaSO₄

z_A = 2 n_Э(В) = n_Э(А) = 2∙0,125 = 0,25 моль.

Ответ. Эквивалентное количество хлорида бария, участвующее в данной реакции, равно 0,25 моль.

Пример 2. 0,304 г Mg вытеснили 0,0252 г Н. Вычислить эквивалентную массу магния.

Решение

М_Э(Mg) =? Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂

m_Mg = 0,304 г m_{M g}/ m_H = M_Э(Mg)/ M<sub>Э(H)

mH</sub> = 0,0252 г M_Э(Mg) = = = 12,16 г/моль

M_Э(Н) = 1,008 г/моль

Ответ. Эквивалентная масса магния равна 12,16 г/моль.

Пример 3. Кислородные соединения хрома содержат 48,0, 31,58 и 23,53 % кислорода. Каковы значения эквивалентных масс хрома в каждом отдельном соединении?
Решение

М_Э(Сr)1 =?

М_Э(Cr)2 =? M_Э(Cr)1 = = = 8,67 г/моль

М_Э(Cr)3 =? М_Э(Cr)2 = = 17,33 г/моль

_(О)1 = 48 % М_Э(Cr)3 = = 26,0 г/моль

= 31,58 %

= 23,53 %

М_Э(О) = 8 г/моль

Ответ. Значения эквивалентных масс хрома в каждом отдельном соединении равны 8,67, 17,33 и 26,0 г/моль.
Задачи

1. Вычислить эквивалентную массу Н₃РО₄ в реакциях образования с раствором КОН: а) КН₂РО₄; б) KHPO₄; в) К₃PО₄.

2. При восстановлении водородом 1,34 г оксида до металла образо­валось 0,324 г Н₂О. Вычислить эквивалентную массу металла.

3. Эквивалентная масса элемента составляет 24,99 г/моль. Вычислить: а) сколько процентов водорода содержится в его гидриде; б) сколько граммов водорода требуется для восстановления 4,95г его оксида.

4. Вычислить эквивалентную массу гексафторкремниевой кислоты, если на нейтрализацию 0,18 г её пошло 0,1 г NaOH.

5. В каком количестве NaOH содержится столько же эквивалентов, сколько в 140 г КОН?

6. Вычислить эквивалентную массу СО₂ в реакциях образования с раствором КОН: а) КНСО₃; б) K₂CO₃.

7. В каком количестве Ba(OH)₂∙8H₂O содержится столько же эквивалентов, сколько в 156 г Al(OH)₃?

8. При окислении 16,74 г двухвалентного металла образовалось 21,54 г оксида. Вычислите эквивалентные массы метал­ла и оксида. Чему равна атомная масса металла?

9. При взаимодействии 3,24 г трёхвалентного металла с кислотой выделяется 4,03 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Вычислите эквивалентную массу металла и его атомную массу.

10. Один оксид марганца содержит 22,56 % кислорода, а другой – 50,50 %. Вычислите эквивалентные массы марганца в этих оксидах и составьте их формулы.

11. Оксид трёхвалентного элемента содержит 31,58 % кислорода. Вычислить эквивалентную массу и атомную массу элемента.

12. На нейтрализацию 0,943 г фосфористой кислоты Н₃РО₃ израсходо­вано 1,291 г КОН. Вычислите эквивалентную массу кислоты.

13. Определите эквивалентные массы металла и серы, если 3,24 г ме­талла образуют 3,48 г оксида и 3,78 г сульфида.

14. Мышьяк образует два оксида, из которых один содержит 65,2 %, а другой – 75,7 % мышьяка. Определите эквивалентные массы мышьяка в обоих случаях, составьте формулы оксидов.

15. 
    . Для растворения 16,8 г металла потребовалось 14,7 г серной кислоты. Определите эквивалентную массу металла и объём выделив­шегося водорода (условия нормальные).
    

15. 
    . На восстановление 1,80 г оксида металла израсходовано 883 мл водорода, измеренного при нормальных условиях. Вычислите эквивалент­ные массы оксида и металла.
    

17. 1,6 г кальция и 2,16 г цинка вытесняют из кислоты одинаковые количества водорода. Вычислите эквивалентную массу цинка, зная, что эквивалентная масса кальция равна 20,0 г/моль.

18. При взаимодействии 5,95 г некоторого вещества с 2,75 г хлороводорода получилось 4,40 г соли. Вычислить эквивалентные массы вещества и образовавшейся соли.

19. Серная и ортофосфорная кислоты имеют одинаковые молекулярные массы. Каково отношение масс этих кислот, пошедших на нейтрализацию одного и того же количества щелочи, если образовались соответствен­но сульфат и дигидрофосфат?

20. Избытком соляной кислоты подействовали на растворы: а) гидрокар­боната кальция; б) гидроксохлорида алюминия. Напишите уравнения ре­акций этих веществ с КОН и определите их эквивалентные массы.

21. Элемент образует оксид, содержащий 31,58% О. Вычислить эквивалент элемента.

22. Эквивалентная масса металла составляет 56,2 г/моль. Вычислить процентное содержание металла в его оксиде.

23. На нейтрализацию 1 г кислоты израсходовано 1,247 г КОН. Вычислить эквивалентную массу кислоты.

24. На нейтрализацию 1 г основания израсходовано 2,14 г НСl. Вычислить эквивалентную массу основания.

25. Определите массу (г) серной кислоты, необходимую для проведения реакции:

а) осаждение сульфата свинца(II) из раствора, содержащего 0,28 моль Рb²⁺ (экв.);

б) нейтрализации раствора гидроксида лития, содержащего 0,14 моль ОН^- (экв.), с образованием сульфата лития;

в) нейтрализации раствора, содержащего 0,07 моль Са(ОН)₂ (экв.), с образованием сульфата кальция.

г) осаждение сульфата бария из раствора, содержащего 0,35 моль Ва²⁺ (экв.);

д) полная реакция двойного обмена с 0,21 моль К₂СО₃ (экв.) в растворе.

Расчеты по уравнениям химических реакций

Для необратимой химической реакции, определяемой стехиометрическим уравнением

ν_АА + ν_ВВ + … = ν_СС + ν_DD + …

формульные количества веществ (вступивших в реакцию реагентов и образовавшихся продуктов) n_A, n_B, … , n_C, n_D, … , пропорциональны соответствующим стехиометрическим коэффициентам:

= = … = = = …

Если формульное количество одного из веществ (реагента или продукта) задано условием задачи, то вышеприведенное выражение позволяет рассчитать формульные количества (а следовательно, массы и объемы) участвующих в данной реакции всех остальных веществ в соответствии с ее стехиометрией.

Практическое решение типовой химической задачи складывается из нескольких этапов:

а) в соответствии с текстом задачи составляется уравнение реакции, а затем необходимые для расчета формулы веществ обозначаются буквами А, В, С, D, … (для одноатомных простых веществ используются непосредственно символы соответствующих элементов);

б) записывается краткое условие задачи; вначале указывают искомую величину, а затем заданную величину (или величины); все буквенные обозначения величин сопровождаются (в нижнем индексе) указанием, к каким веществам они относятся, например, m_A, n_B, M_C, V_D, m_Na, n_Al, M_S, V_Ar; для каждой заданной величины приводят ее значение по условию;

в) составляется (выводится) математическая формула для искомой величины, выраженной только через заданные величины и необходимые константы; проводится проверка расчетной формулы на соответствие единиц (при необходимости делается корректировка единиц в условии задачи);

г) условие задачи дополняется теми константами, которые вошли в расчетную формулу; при этом необходимые для решения табличные данные берутся из таблиц Приложения;

д) числовые значения величин подставляются в расчетную формулу, выполняется расчет значения искомой величины, указывается единица искомой величины;

е) записывается подробный ответ задачи.

Пример 1. Определите формульное количество вещества (моль) в оксиде хрома (III), затраченном на получение 21,4 г диоксохромата (III) натрия по реакции

Cr₂O₃ + Na₂CO₃ 2NaCrO₂ + CO₂

Рассчитайте также объем (л, н. у.) выделившегося газа.

Решение

n_A = ? Cr₂O₃ + Na₂CO₃ 2NaCrO₂ + CO₂

V_C = ? (A) (B) (C)

m_B = 21,4 г

n_A = = = = 0,1 моль;

ν_А = 1

ν_В = 2 V_C = V_M∙n_C = = = 2,24 л.

M_B = 106,98 г/моль

V_M = 2

V_C = 1

Ответ. В данной реакции участвует 0,1 моль Cr₂O₃ и образуется 2,24 л CO₂.

Пример 2. Рассчитайте объем (мл) воды, необходимый для проведения реакции

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₂+ 3CH₄

если имеется 99,85 г трикарбида тетраалюминия. Плотность воды принять равной 0,9982 г/мл.

Решение

V_B =? Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₂+ 3CH₄

m_A = 99,85 г (A) (B)

ρ_B = 0,9982 г/мл

V_B = = = = ==

M_B = 18,02 г/моль =150,25 мл

ν_В = 12

ν_А = 1

М_А = 143,96 г/моль

Ответ. Для проведения данной реакции надо взять 150,25 мл Н₂О.

Пример 3. К 100 мл 0,05 М раствора Al₂(SO₄)₃ добавляют 0,25 М раствор NH₃∙H₂O до полного выпадения осадка гидроксида алюминия. Какой объем (мл) раствора гидрата аммиака затрачен на реакцию?

Решение

_V(p)B =? Al₂(SO₄)₃ + 6(NH₃∙H₂O) = 2Al(OH)₃+ 3(NH₄)₂SO₄

V_(p)A = 100 мл (A) (B)

c_A = 0,05 моль/л

c_B = 0,25 моль/л

V_(p)B = = = = = 120 мл

ν_В = 6

ν_А = 1

Ответ. На проведение реакции затрачено 120 мл раствора NH₃∙H₂O.
Задачи

26. Сколько КОН требуется для нейтрализации 24,5 г серной кислоты?

27. К 1 г КОН прибавили 1 г HNO₃. Какое вещество и сколько его останется ненейтрализованным?

28. Сколько BaSO₄ можно получить из 6,1 г BaCl₂∙H₂O? Сколько H₂SO₄ для этого потребуется?

29. К раствору, содержащему 8,5 г AgNO₃, добавили 3,9 г BaCl₂. Определите массу AgNO₃ , оставшуюся в растворе после образования AgCl.

30. К раствору, содержащему 12,6 г HNO₃, добавили раствор, содержащий 7,2 г NaOH. Какое вещество и сколько останется в избытке?

31. 1 мл раствора содержит 0,014 г КОН. Сколько миллилитров такого раствора потребуется для нейтрализации 1,96 г H₂SO₄? Сколько миллилитров того же раствора потребуется для образования нормальной соли при взаимодействии с 1,96 г H₃PO₄?

32. К раствору, содержащему 159 г Na₂CO₃, добавили 152 г H₂SO₄. Сколько H₂SO₄ останется в избытке?

33. Какой массе оксида железа (III) соответствует 1 кг железного купороса FeSO₄∙7H₂O?

34. Сколько NaCl следует растворить в 100 г воды для того, чтобы каждый грамм полученного раствора содержал 0,1 г NaCl?

35. В какой массе воды следует растворить 8,5 г KI, чтобы каждый грамм полученного раствора содержал 0,05 г иодид-ионов?

36. Вычислить процентное содержание хлора в веществе, 0,496 г которого образовали 1,284 г AgCl.

37. При анализе некоторого сплава, содержащего серебро, получена масса AgCl, в точности равная массе сплава, взятого для анализа. Вычислить процентное содержание серебра в сплаве.

38. В каком соотношении должны быть AgCl и KCl, чтобы из 0,5 г смеси можно было получить 1,45 г AgCl?

39. Какой объем кислоты, содержащей 73 г НCl в 1 л раствора, потребуется для взаимодействия с 1 кг СаСО₃?

40. Сколько Mn₃O₄ можно получить из 10 кг MnО₂? Сколько кислорода выделится при этом?

41. Для образования AgCl взаимодействием KCl с AgNO₃ требуется KCl на 10 г меньше, чем AgNO₃. Вычислить массу AgNO₃.

42. После добавления BaCl₂ в раствор, содержащий 1 г смеси K₂SO₄ и Na₂SO₄, образовалось 1,491 г BaSO₄. В каком соотношении смешаны K₂SO₄ и Na₂SO₄?

43. Рассчитайте массу (кг) каждого продукта разложения 210 кг карбоната магния.

44. При добавлении к хлороводородной кислоте смеси железа и магния общей массой 10,4 г выделилось 6,72 л (н. у.) газа. Определите массовую долю (в %) железа в смеси.

45. Реагируют 17,6 г меди и 17,6 г серы. Установите массу (г) продукта – сульфида меди (II).

46. Смесь меди и магния массой 10 г обработали разбавленной серной кислотой. В газометре оказалось 3,733 л (н. у.) газа. Рассчитайте массовую долю (в %) меди в смеси.

47. Определите объем (л. н. у.) воздуха, затраченный на сжигание 4 г серы. Объемное содержание кислорода в воздухе равно 20,94 %.

48. Определите массу (г) технического хлората калия (10 % инертных примесей), необходимую для получения 14,56 л кислорода (н. у.).

49. Оксид кальция массой 14 г обработали раствором, содержащим 35 г азотной кислоты. Установите массу (г) образовавшейся соли.

50. Рассчитайте массу (г) гидроксида меди (II), полученного в результате взаимодействия 8 г гидроксида натрия и 17 г сульфата меди (II).


Вычисление массы газов и паров по заданному объему и их объемов по заданной массе

Закон Авогадро. В 1811 году итальянский физик и химик Амедео Авогадро сформулировал один из основных законов химии, современная формулировка которого: в равных объемах любых газов при одинаковых физических условиях содержится одинаковое число частиц (молекул, атомов, а также ионов или электронов, если их концентрация в ионизированных газах не очень велика и взаимодействием внешних электрических и магнитных полей можно пренебречь).

Отсюда логически вытекает, что массы различных газов, равные или пропорциональные их молекулярным массам, при одинаковых условиях занимают одинаковые или пропорциональные объемы. Применительно к 1 молю такой объем называется мольным и составляет 22,413 л при 0 ^оС и 101,3 кПа.

Пример 1. Какова масса 200 л хлора при 0 ^оС и 101,3 кПа?

Решение.

= ?

= 200 л = = = 633,2 г

t = 0 ^oC

р = 101,3 кПа

V_m = 22,4 л/моль

= 70,91 г/моль

Ответ. Масса хлора при 0 ^оС и 101,3 кПа составляет 633,2 г.

Пример 2. Вычислить массу 1,8 л H₂S, если объем газа измерен при 17 ^оС и 98,64 кПа.

Решение.

=? V_{н. у.} = = = 1,65 л

t = 17 ^oC

p = 98,64 кПа = = = 2,51 г

= 1,8 л

Т_{н. у.} = 273 К

р_{н. у.} = 101,3 кПа

Ответ. Масса (н. у.) H₂S равна 2,51 г.

Пример 3. Вычислить объем, занимаемый 7 г оксида углерода при 7 ^оС и 104,6 кПа.

Решение.

V_CO =?

t = 7 ^oC V_CO = = = 5,6 л

p = 104 кПа

_mCO = 7 г V_{н.. у.} = = = 5,61 л

М_СО = 28 г/моль

р_{н. у.} = 101,3 кПа

Т_{н. у.} = 273 К

Ответ. Объем монооксида углерода (н. у.) равен 5,61 л.

При вычислениях можно воспользоваться также общей формулой, предложенной Д. И. Менделеевым в 1876 г. Если уравнение Клапейрона

=

отнести к 1 молю любого газа, взятого при 0 ^оС и 1 атм, то получится

= = R или pV = RT,

где R – универсальная (молярная) газовая постоянная, численное выражение которой зависит от единиц, определяющих объем газа и его давление. Так, если объем газа выражен в кубических метрах, а давление – в паскалях, то R принимает значение

R = = = 8,31 м³ ∙ Па ∙ моль^-1 ∙ К^-1.

Произведение объема газа на его давление представляет собой энергию, которая, будучи выражена в джоулях, имеет значение 8,31 Дж ∙ моль^-1 ∙ К^-1.

Применительно к некоторому числу молей газа n это уравнение принимает вид:

pV = nRT.

Так как число молей газа представляет собой частное от деления его массы (m), выраженной в граммах, на массу моля газа (М)



n = m/M,

то уравнение примет вид

.

Это и есть уравнение Клапейрона – Менделеева в окончательном виде.

Воспользуемся им для повторного решения примера 3, в котором массы m и M выражены в килограммах, а давление в паскалях:

= 5,6 ∙ 10^-3 м³.
Задачи

51. Вычислить массу 1 л следующих газов при 0 ^оС и 101,3 кПа:

а) водорода; б) кислорода; в) диоксида углерода; г) монооксида углерода; д) фосгена COCl₂; е) оксида азота (IV).

52. Вычислить массу 1 м³ следующих газов при 0 ^оС и 101,3 кПа: а) оксида азота (I); б) дициана (CN)₂; в) фторида кремния SiF₄; г) диоксида серы SO₂.

53. Какой объем в литрах займут при нормальных условиях: а) 3,5 г азота; б) 640 г кислорода; в) 110 г диоксида углерода; г) 70 г монооксида углерода?

54. Какой объем в кубических метрах займут при нормальных условиях: а) 1 т хлорида водорода; б) 1,5 т оксида азота (II); в) 220 кг оксида азота (I); г) 1 кг аргона?

55. Вычислить массу а) 1 л водорода при 10 ^оС и 96 кПа; б) 8 л кислорода при – 13 ^оС и 104 кПа; в) 224 л СО₂ при 27 ^оС и 152 кПа; г) 1 м³ СО при 7 ^оС и 50,65 кПа.

56. В баллоне емкостью 25 л находится при 15 ^оС водород под давлением 810,4 кПа. Вычислить массу водорода.

57. Вычислить объем, занимаемый: а) 5,5 г СО₂ при 11 ^оС и 102,6 кПа; б) 16 г SO₂ при 22 ^оС и 99,3 кПа; в) 1 кг азота при – 3^оС и 100 кПа; г) 1 г HCN при 20 ⁰С и 100,6 кПа; д) 1 т водорода при 17 ^оС и 1013 кПа; е) 0,1 г хлора при 47 ^оС и 20,26 кПа.

58. Баллон емкостью 10 л содержит при 27 ^оС моль кислорода. вычислить давление кислорода в баллоне.

59. В закрытом баллоне емкостью 40 л находится 77 г СО₂. Манометр, присоединенный к баллону, показывает давление 106,6 кПа. Вычислить температуру газа.

60. При каком давлении масса 1 л кислорода составит 1 г?

61. До какой температуры должен быть нагрет азот, чтобы масса 1 л его составила 1 г?

62. 0,111 г некоторого газа заняли 26 мл при 17 ^оС и 104 кПа. Вычислить мольную массу газа.

63. В одном из двух закрытых баллонов находится кислород, в другом – азот. массы обоих газов одинаковы. Температура обоих газов 27 ^оС. В каком баллоне давление больше и во сколько раз? До какой температуры следует нагреть содержимое одного баллона, чтобы давление внутри него достигло давления в другом баллоне?

64. Сколько литров кислорода при 21 ^оС и 104,5 кПа выделится при разложении 490 г KClO₃?

65. Сколько граммов кальция вступило в реакцию с водой, если объем выделившегося водорода при 25 ^оС и 99,3 кПа равен 480 мл?

66. 0,927 г некоторого азотсодержащего вещества образовали при реакции 126 мл азота ( при 27 ^оС и 98,64 кПа). Вычислить процентное содержание азота в веществе.

67. Сколько литров водорода (при 12 ^оС и 102,6 кПа) выделится при взаимодействии цинка с соляной кислотой?

68. Горячий раствор КОН реагирует с хлором по уравнению

6KOH + 3Cl₂ = 5KCl + KClO₃ +3H₂O

Сколько КОН потребуется для взаимодействия с 0,8 м³ хлора (при 7 ^оС и 98,64 кПа)? Сколько килограммов KClO₃ образуется при этом?

69. Диоксид марганца теряет при прокаливании кислород, образуя Mn₃O₄. Какой объем кислорода (при 32 ^оС и 111,4 кПа) выделится из 0,5 кг MnO₂?

70. Сколько кубических метров водяного газа (Н₂ + СО) теоретически может быть получено при127 ^оС и 81,04 кПа из 1 т угля, содержащего 4% посторонних примесей?

71. 1 г сплава магния с алюминием выделил из соляной кислоты 1,27 л водорода (при 25 ^оС и 100 кПа). Вычислить процентный состав сплава.

72. Из 3 г смеси СаСО₃ и MgCO₃ получено 760 мл СО₂ (при 20 ^оС и 99,7 кПа). Вычислить количественное соотношение СаСО₃ и MgCO₃.

73. Для полого восстановления 1,59 г оксида металла до металла потребовалось 478 мл водорода (при 7 ^оС и 97,3 кПа). Вычислить эквивалентную массу металла.

74. 0,934 г металла вытеснили из соляной кислоты 348 мл водорода (при 20 ^оС и 100 кПа). Вычислить эквивалентную массу металла.

75. Эквивалентная масса металла равна 8,99 г. Какой объем водорода (при – 3 ^оС и 106,6 кПа) получится при взаимодействии 0,4495 г металла с кислотой?


Определение истинных формул химических соединений по процентному составу и молекулярной массе

Количественный состав химического соединения дает возможность вычислить соотношение чисел атомов отдельных элементов, образующих молекулу данного соединения, но ничего не говорит об истинном числе этих атомов. Так, исходя из состава соединения, содержащего 2,24 % водорода, 26,68 % углерода, 71,08 % кислорода, находим, что числа атомов Н, С и О в его молекуле относятся друг к другу, как

::= 2: 2: 4 = 1: 1: 2.

Такое соотношение отвечает как формуле НСО₂, так и формулам Н₂С₂О₄, Н₃С₃О₆ и т. д. Чтобы сделать вывод об истинной формуле химического соединения, надо определить его молекулярную массу. Если она окажется равной 90, то вопрос тем самым решится в пользу формулы Н₂С₂О₄.

О молекулярной массе химического соединения в состоянии газа или пара можно судить по его плотности. Как уже упоминалось, из закона Авогадро вытекает, что массы равных объемов различных газов, взятых при одинаковых условиях, относятся друг к другу как их молекулярные массы. Но отношение этих масс представляет собой число, показывающее, во сколько раз один газ тяжелее или легче другого, т. е. плотность одного газа по отношению ко второму, взятому для сравнения:

= D,

где М_А и М_В – молекулярные массы газов А и В, а D – плотность газа А относительно газа В. Отсюда

М_А= М_вD.

Определяя мольную массу М_х некоторого вещества исходя из его плотности по водороду D_Н, можно пользоваться следующим выражением:

М_х = 2,016D_Н.

Для вычислений, не требующих большой точности, это выражение читается так: молекулярная масса вещества, находящегося в газообразном или парообразном состоянии, равна его удвоенной плотности по водороду.

Если взять для сравнения кислород или воздух, то

М_х = 32D_к или М_х = 29D_возд,,

где D_к и D_возд – плотности исследуемого вещества по кислороду и воздуху, а 29 – средняя молекулярная масса воздуха (масса 22,4 л воздуха при 0 ^оС и 101,3 кПа составляет 29 г).

Пример. Соединение содержит 82,64 % углерода и 17,36 % водорода. Плотность его по водороду 28,8. Найти истинную формулу соединения.

Решение

= 82,64 %

= 17,36 % = = 2,5:1= 5:2.

_DH = 28,8 М_х = 2,016∙28,8 = 58 г/моль

М_С = 12 г/моль

М_Н = 1,008 г/моль

Ответ. Простейшая формула отвечает составу С₂Н₅. Молекулярная масса соединения равна 58 г/моль. Следовательно, истинная формула отвечает составу С₄Н₁₀.
Задачи

76. Некоторое соединение содержит 75,76 % As и 24,24 % О. Плотность его паров по воздуху составляет 13,65. Найти истинную формулу соединения. Какова будет его формула, если при повышении температуры плотность пара уменьшится в два раза?

77. Соединение содержит 45,15 % углерода, остальное – азот. Плотность по воздуху равна 1,79. Найти истинную формулу соединения.

78. Соединение содержит 24,26 % С, 71,62 % Cl и 4,12 % Н. Плотность по водороду 49,1. Найти истинную формулу соединения.

79. Соединение бора с водородом содержит 78,18 % бора, остальное – водород. Плотность по водороду 13,71. Найти его истинную формулу.

80. Соединение бора с фтором содержит 84,04 % F. Плотность по воздуху 2,34. Найти истинную формулу.

81. Соединение водорода с мышьяком содержит 3,85 % Н. Плотность по воздуху 2,7. Найти истинную формулу.

82. Фторид водорода содержит 95 % фтора. При некоторой температуре плотность его паров по водороду равна 20. Какова истинная формула фторида водорода? Каков будет состав молекулы, если плотность при повышении температуры достигнет 10?

83. Некоторое соединение содержит 54,50 % углерода, 36,34 % кислорода, остальное – водород. Плотность по воздуху 3,04. Найти истинную формулу.

84. Соединение углерода с водородом содержит 92,26 % углерода, остальное – водород. 0,195 г этого соединения заняло при 27 ^оС и 101,3 кПа объем, равный 61,5 мл. Какова истинная формула соединения?

85. Соединение серы с фтором содержит 62,8 % S и 37,2 % F. Масса 118 мл данного соединения в форме газа, измеренного при 7 ^оС и 98,64 кПа равна 0,51 г. Какова истинная формула соединения?

86. При сжигании некоторого соединения азота с водородом получено из 0,24 г вещества 0,27 г Н₂О и 168 мл азота (при 0 ^оС и 101,3 кПа). Плотность пара азотсодержащего вещества по воздуху 1,1. Какова истинная формула вещества?

87. Массовые доли серы и кислорода в оксиде серы равны соответственно 40 и 60 %. Определите простейшую формулу этого оксида.

88. Массовая доля хлора в хлориде фосфора составляет 77,5 %. Определите простейшую формулу хлорида.

89. В состав химического соединения входят натрий, фосфор и кислород. Массовые доли элементов составляют (%): натрия – 34,6, фосфора – 23,3, кислорода – 42,1. Определите простейшую формулу соединения.

90. Некоторая кислота содержит водород (массовая доля 2,2 %), иод (55,7 %) и кислород (42,1 %). Определите простейшую формулу этой кислоты.

91. В оксиде молибдена отношение массы молибдена к массе атомного кислорода равно 2. Определите простейшую формулу оксида.

92. Образец соединения фосфора и брома массой 81,3 г содержит фосфор массой 9,3 г. Определите простейшую формулу этого соединения.

93. Молярная масса соединения азота с водородом равна 32 г/моль. Определите формулу этого соединения, если массовая доля азота в нем составляет 87,5 %.

94. Определите простейшую формулу соединения алюминия с углеродом, если известно, что массовая доля алюминия в нем составляет 75 %.

95. Определите простейшую формулу соединения калия с марганцем и кислородом, если массовые доли элементов в этом веществе составляют соответственно 24,7, 34,8 и 40,5 %.

96. При сжигании 0,1 моль некоторого простого вещества об­разовалось 0,1 моль оксида, массовая доля кислорода в котором рав­на 43,6% . Плотность паров этого вещества по воздуху равна 7,6. Ус­тановите молекулярную формулу сжигаемого вещества и образую­щегося оксида.

97. При сгорании металла массой 3 г образуется его оксид массой 5,67 г. Степень окисления металла в оксиде равна +3. Что это за металл?

98. При разложении 21 г карбоната двухвалентного металла выделилось 5,6 л оксида углерода (IV) (при н. у.). Установите форму­лу соли.

99. Определите простейшую формулу вещества, если извест­но, что мольная доля в нем Ag = 7,69 %, N = 23,08 %, Н = 46,15 %, О = 23,08 %.

100. Определите простейшую формулу щавелевой кислоты, ес­ли известно, что в 20 г этой кислоты содержится 0,444 г водорода, 5,33 г углерода, остальное — кислород.


Постоянная Авогадро. Вычисление массы отдельных атомов и молекул

Одна из универсальных констант в физике и химии – число молекул в моле простого или сложного вещества и число атомов в моле атомов элемента – называется постоянной Авогадро и составляет 6,02∙10²³.

Постоянная Авогадро дает возможность вычислить массу одной молекулы или атома, а также число молекул в определенном количестве массы.

Пример 1. Вычислить в граммах массу молекулы нафталина С₁₀Н₈.

Решение

m =?

M = 128 г/моль m = = = 2,1∙10 ^-22 г.

N_A = 6,02∙10²³

N = 1

Ответ. Масса молекулы нафталина С₁₀Н₈ равна 2,1∙10^-22 г.

Пример 2. Сколько молекул содержится в 1 мл газа при -23 ^оС и 2,53 кПа?

Решение

V = 1 мл

t = -23 ^oC V_{н. у.} = = = 0,0273 мл,

p = 2,53 кПа

_{Тн. у.} = 273 К N = = = 7,3∙10¹⁷.

Р_{н. у.} = 101,3 кПа

N_A = 6,02∙10²³

V_м = 22,4 л

Ответ. В 1 мл газа при -23 ^оС и 2,53 кПа содержится 7,3∙10¹⁷ молекул.

Постоянная Авогадро позволяет установить соотношение между дольной единицей массы – граммом и углеродной единицей.

Масса моля изотопа углерода ¹²С составляет 12 г и содержит 6,02∙10²³ атомов; масса одного атома углерода равна г, а масса 1/12 его, т. е. углеродной единицы, составит

= = 1,66∙10^-24 г.
Задачи

101. Вычислить в граммах массу молекулы СО₂.

102. Сколько молекул содержится в 1 мл любого газа, измеренного при нормальных условиях (0 ^оС, 101,3 кПа)?

103. Вычислить число молекул в 1 мл газа при разрежении 13,3∙10^-12 Па и температуре 0 ^оС.

104. Выразить в граммах: а) массу 1∙10²² углеродных единиц; б) массу электрона, составляющую 0,00055 углеродной единицы.

105. Масса 1 л газа (0 ^оС, 101,3 кПа) составляет 1,25 г; вычислить: а) мольную массу газа; б) массу молекулы газа.

106. Сопоставить число молекул, содержащееся в 1 г H₂SO₄ с числом молекул, содержащимся в 1 г HNO₃. В каком случае и во сколько раз число молекул больше?

107. Масса α-частицы составляет 4,002 углеродных единицы. Во сколько раз α-частица тяжелее электрона (см. задачу 104)?

108. В какой массе азота содержится 10²⁴ молекул?

109. В каком объеме хлора (0 ^оС, 101,3 кПа) содержится 10²⁰ молекул?

110. Сколько лет потребуется для того, чтобы пересчитать количество молекул, которое содержится в 1 г воды, если отсчитывать по одной молекуле в секунду? (Считать год равным 365 дням.)

111. Сколько лет потребуется для того, чтобы из заполненного гелием (0 ^оС, 101,3 кПа) ампулы емкостью 1 мм³ полностью эвакуировать весь газ со скоростью 10⁶ атомов в секунду?

112. Какое число молекул содержат 0,01 моля кислорода и 1/25 эквивалента кислорода?

113. Сколько молекул кислорода и сколько молекул аргона содержит 1 мл воздуха при нормальных условиях? Воздух содержит 0,93 % аргона по объему.

114. 100 л воздуха содержат 0,0006 мл ксенона. В каком объеме воздуха при нормальных условиях содержится 10¹⁰ молекул ксенона?

115. Содержание радона в воздухе оценивается величиной 6∙10^-18 % по объему. В каком приблизительно объеме воздуха (0 ^оС, 101,3 кПа) содержится одна молекула радона?

116. Определите число молекул СН₃СООН, содержащихся в 6 г этого вещества.

117. Определите число атомов хлора, содержащихся в 0,25 моль газообразного хлора.

118. Определите число атомов углерода, содержащихся в 0,01 моль пропана.

119. Определите массу водорода, содержащуюся в 3,01^.10²⁴ молекул метана.

120. Определите, в каком количестве озона содержится 5,412^.10²⁴ атомов.

121. Определите число атомов хлора, содержащихся в 5,65 моль газообразного хлорида водорода.

122. Определите число атомов натрия, содержащегося в 0,04 моль оксида натрия.

123. Определите число атомов хлора, содержащихся в 2,67 г хлорида алюминия.

124. Для одного и того же количества вещества определите, во сколько раз число атомов кислорода в гидрокарбонате калия больше, чем в диоксиде углерода.

125. Вычислить в граммах массу двух молекул сероводорода.