Программа элективного курса по химии « Решение расчетных задач»

Тема: «Вывод химических формул»

Задача 1. Найти молекулярную формулу углеводорода, содержание углерода в котором равно 85,71%, а относительная плотность по кислороду равна 1,75.

Дано:
ώ (С) = 85,71% = 0,8571
D (O₂) = 1,75
Найти: С_nH_m

Решение:
D(O₂) = M_r(в-ва)/ M_r(O₂) = M_r(в-ва)/32
Отсюда M_r(в-ва) = D (O₂) • M_r(O₂)
M_r(С_nH_m) = 1,75 •32 = 56
ώ (элемента) = A_r(элемента) • n (индекс)/ M_r(в-ва)

n = ώ (элемента) • M_r(в-ва)/ A_r(элемента)
n (C) = 0,8571 • 56/12 = 4
m (H) = 56- 4 •12/ 1 = 8
или ώ (H) = 1 – 0,8571 = 0,1429
m (H) = 0,1429 •56/1 = 8
Следовательно, молекулярная формула углеводорода C₄H₈

Задача 2. Найти массу газообразного алкана, если 11 г этого газа занимают объем 5,6 л ( при н. у.)
Дано:
m (C_nH_2n+2) = 11г
V (C_nH_2n+2) = 5,6 л (н.у.)

Найти: формулу
Решение:
Найдем кол- во вещества алкана
ν = V/V_mν (C_nH_2n+2) = 5,6 л / 22.4 л/моль = 0.25 моль
Найдем молярную массу алкана.
M = m/ ν
M (C_nH_2n+2) = 11г / 0, 25 моль = 44 г/моль
Молярную массу алкана можно вычислить следующим образом:
M (C_nH_2n+2) = 12n + 1• 2n + 2 = 44
14n = 42 n = 3

Следовательно, молекулярная формула алкана C ₃H₈

Задача 3. . Установите молекулярную формулу дибромалкана, содержащего 85,11% брома

Дано:

ώ ( Br) = 85,11 = 0,8511

Найти: C_nH_2nBr₂

Решение:

Находим относительную молекулярную массу органического вещества.

ώ (элемента) = A_r(элемента) • n (индекс)/ M_r(в-ва)
отсюда M_r(в-ва) = A_r(элемента) • n / ώ (элемента)
M_r (C_nH_2nBr₂ ) = 80•2 / 0,8511 = 188
Но относительную молекулярную массу можно выразить через относительные атомные массы элементов.
M_r (C_nH_2nBr₂ ) = 12n + 2n + 160 = 188
14n = 28 n = 2
Следовательно, молекулярная формула дибромалкана C₂H₄Br₂

Задача 4. Пары монобромалкана в 4,24 раза тяжелее воздуха. Определите его молекулярную формулу.

Дано:
C_nH_{2n +1}Br (пары) в 4, 24 раза тяжелее воздуха.
Найти: молекулярную формулу
Решение:
Средняя молярная масса воздуха равна 29 г/моль. Найдем молярную массу органического вещества.
M (C_nH_{2n +1}Br ) = 29 г/моль • 4.24 = 123 г/моль
M (C_nH_{2n +1}Br ) = 12n + 2n + 1 + 80 = 123
14n = 42 n = 3

Следовательно, молекулярная формула монобромалкана C₃H₇Br

Задача 5. Масса неизвестного объёма воздуха равна 0,123 г, а масса такого же объёма газообразного алкана равна 0,246 г (при одинаковых условиях). Определите молекулярную формулу алкана.
Дано:

m (возд.) = 0, 123 г

m (C_nH_2n+2) = 0, 246 г

Vвозд. = V(C_nH_2n+2)

Найти молекулярную формулу алкана.

Решение:

Найдем кол- во вещества воздуха, учитывая, что средняя молярная масса его равна 29 г/ моль.

ν = m / M ν (возд.) = 0, 123 г / 29г/моль = 0, 00424 моль.

Если при одинаковых условиях объемы газообразных веществ равны, то равны и их кол- ва веществ. Значит,
ν (C_nH_2n+2) = 0,00424 моль.

Найдем молярную массу алкана.
M = m / ν

M (C_nH_2n+2) = 0,246 г/ 0,00424 моль = 58 г/моль
M (C_nH_2n+2) = 12n + 2n + 2 = 58

14n = 56 n = 4
Молекулярная формула алкана C₄H₁₀

Задача 6. При сгорании углеводорода массой 1,4 г образуется 2,24 л углекислого газа (н. у.) и вода массой 1,8 г. Определите формулу углеводорода, если его плотность равна 1,25 г/л.

Выразим схему сгорания углеводорода.

C_nH_m+ O_{2 _}--------------- > CO₂ + H₂O

Найдем молярную массу углеводорода, зная его плотность.

M = ρ •V_m

Данную формулу можно вывести следующим образом.

M = m / ν ρ = m / v m = ρ •V

ν= V / V_m

Преобразуем исходную формулу и получим:

M = ρ •V_m

M ( C_nH_m ) = 1, 25 г/ моль • 22,4 л / моль = 28 г / моль

Находим кол- во образовавшихся веществ.

ν ( CO₂ ) = V(CO₂ ) / V_m = 2,24 л / 22,4 л / моль = 0,1 моль

Находим кол-во атомарного углерода.

ν (С) = ν ( CO₂ ) = 0,1 моль

ν = m /M ν (H₂O) = 1,8г/ 18 г/моль = 0,1 моль

Находим кол-во атомарного водорода.
ν (H) = 2 ν (H₂O) = 0,2 моль

При химических реакциях выполняется правило, что кол- во веществ каждого элемента в левой и правой части уравнения равны. Значит, и в исходном веществе C_nH_mν (С) = 0,1 моль ν (H) = 0,2 моль

Тогда справедливо выражение

n / m = 0,1 / 0,2

приведем к целым числам.

n / m = 1 / 2

Отсюда простейшая формула углеводорода CH₂

M (CH₂ ) = 12 + 1 • 2 = 14 г/моль

Но у нас M ( C_nH_m ) = 28 г/моль

Находим истинную формулу: 28 г/моль / 14 г/моль = 2

Это означает, что индексы необходимо увеличить в 2 раза. Значит, истинная формула углеводорода C₂H₄

Задача 7. При сжигании газообразного соединения объемом 2,24 л (н.у.) получено 8,96 л углекислого газа и вода массой 7,2 г. На горение было затрачено 13,44 л кислорода. Определите формулу вещества.

Так как в продуктах сгорания есть углерод (CO₂) и водород (H₂O), то эти элементы присутствуют и в исходном вещ-ве. Не исключено, что в его составе есть и атомы кислорода. Обозначим формулу исходного вещ- ва C_nH_mO_z.

Запишем условную схему его сгорания.

C_nH_mO_z. + O₂ → CO₂ + H₂O

Найдем количества всех известных веществ.

ν (C_nH_mO_z. ) = V/ V_m= 2,24 л / 22,4 л/моль = 0,1 моль

ν ( O₂) = 13,44 л / 22,4 л/моль = 0,6 моль

ν (CO₂) = 8,96л / 22,4 л/моль = 0,4 моль

ν (H₂O) = m / M = 7,2г / 18 г/моль = 0,4 моль

Проставим полученные значения над химическими формулами.

0,1 0,6 0,4 0,4

C_nH_mO_z. + O_{2 _}--------------- > CO₂ + H₂O

Количества реагирующих и образующихся веществ пропорциональны коэффициентам перед формулами. Приведем их к целым числам и поставим в виде коэффициентов ( перед исходным веществом коэффициент равен 1)

C_nH_mO_z. + 6O₂ --------------- > 4CO₂ + 4H₂O

Так как число атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения должно быть одинаковым получаем

n = 4 m = 8

Атомов кислорода по 12, значит исходное вещество кислород не содержит.

Формула исходного вещ-ва C₄H₈

Задача 8. При сжигании органического вещества, массой 4,8 г получили оксид углерода-IV массой 6,6 г и воду массой 5,4 г. Относительная плотность этого соединения по водороду равна 16. Найдите молекулярную формулу вещества.

Составим схему сгорания органического вещ - ва.

C_nH_mO_z. + O_{2 _}--------------- > CO₂ + H₂O

Найдем M_r (C_nH_mO_z) = 16 • 2 = 32

D (H₂ ) = M_r (в-ва) / M_r(H₂ )

M_r (в-ва) = D (H₂ ) • M_r(H₂ )

Находим ν (CO₂) ν = m / M M = (CO₂) = 44 г/моль

ν (CO₂) = 6,6 г / 44г/моль= 0,15 моль

ν (С) = ν (CO₂) = 0,15моль m (С) = M • ν

m (C) = 12• 0,15 = 1,8г

Находим ν (H₂O)
ν (H₂O) = 5,4г / 18г/моль = 0,3моль

ν (H) = 2 ν (H₂O) = 0,6моль

m (H) = 1г/моль • 0,6моль = 0,6г
Найдем массу кислорода в исходном вещ- ве.
m (О) = 4,8г – (1,8г + 0,6г) = 2,4г

ν (О) = 2,4г / 16г/моль = 0,15моль

Находим простейшую формулу
n : m : z = 0,15: 0,6 : 0,15
n : m : z = 1 : 4 : 1
Простейшая формула CH₃OH
М (CH₃OH) = 32г/моль
Значит, формула CH₃ OH является истинной.

Задача 9. Предельный одноатомный спирт нагрели ^- до 170 - 180°С в присутствии концентрированной серной кислоты. В результате реакции получили газообразное при нормальных условиях вещество с массовой долей водорода 14,29% и с относительной плотностью по гелию 10,5. Определите молекулярную формулу исходного спирта.

Запишем уравнение реакции в общем виде:

t , cat

C_nH_2n+1 OH → C_nH_2n + H₂O

Найдем M_{r (}C_nH_2n) M_r (He) = 4

M_{r (}C_nH_2n) = 4 • 10,5 = 42

ώ (элем) = А_r(элем) • n (индекс) / M_r (вещ-ва)

n = ώ _r (элем) • M_r (вещ-ва) _/ А_r(элем)

n (Н) = 0,1429 • 42 / 1 = 6

Значит, формула газообразного вещ- ва C₃H₆ , а молекулярная формула исходного спирта C₃H₇ OH

Задача 10. Установите молекулярную формулу алкена, если известно, что одно и то же количество его, взаимодействуя с галогенами, образует, соответственно, или 56,5 г дихлорпроизводного, или 101 г дибромпроизводного.

Запишем уравнение реакций в общем виде.

ν ν

C_nH_2n + Cl₂ --------------- > C_nH_2n Cl ₂

ν ν

C_nH_2n + Br ₂ --------------- > C_nH_2n Br ₂

Количество алкена и в 1-ой и во 2-ой реакции одинаково ( ν ) , значит и количество дихлор- и дибромпроизводного тоже одинаково

ν (C_nH_2nCl ₂ ) =ν (C_nH_2nBr ₂)

Выразим массу каждого вещ- ва

m = M • ν m (C_nH_2nCl ₂) = ν ( 12n + 2n + 71)

m (C_nH_2n Br ₂) = ν (12n + 2n + 160 )

Из массы дибромпроизводного вычтем массу дихлорпроизводного:

m (C_nH_2nBr ₂) - m (C_nH_2nCl ₂) = 101- 56,5

ν (14n + 160) - ν ( 14n + 71 ) = 44,5
ν ( 14n + 160 – 14n -71 ) = 44,5

89ν = 44,5 ν = 0,5 моль

М ((C_nH_2n Cl ₂) = 56,5г / 0,5моль = 113г/моль

М (C_nH_2n) = 113 – 71 = 42

14n = 42 n =3

Формула алкена C₃H₆

Задача имеет другой путь решения, но этот мне нравится больше.

Задача 11. 10 л смеси алкена с избытком водорода (н.у.) пропустили над нагретым платиновым катализатором. Объем смеси уменьшился до 7,2 л. При пропускании той же смеси через избыток бромной воды масса склянки увеличилась на 5,25 г. Определите формулу алкена.

Запишем уравнение реакций в общем виде:

_изб.

1). C_nH_2n + H_{2 _}--------------- > C_nH_2n+2

_изб.

2). C_nH_2n + Br _{2 (р-р)}--------------- > C_nH_2nBr _2
р-р

Так как алкен взят в недостатке, то по изменению объема можно определить, какой объем алкена вступил в реакцию.

ν (C_nH_2n ) = 10л – 7,2л = 2,8л , а по второй реакции можно определить массу присоединившегося алкена.

m (C_nH_2n ) = 5,25г

Найдем кол- во вещества алкена.

ν = V / V_mν(C_nH_2n ) = 2,8л / 22,4л/моль = 0,125 моль

Найдем молярную массу:

М = m / ν М(C_nH_2n ) = 5,25г / 0,125моль = 42г/моль

М(C_nH_2n ) = 12n + 2n = 42

14n = 42 n = 3

Формула алкена C₃H₆

Задача 12. При сгорании 9 г предельного первичного амина выделилось 2,24 л азота и 8,96 л углекислого газа (н.у.). Определите молекулярную формулу амина.

Составим схему сгорания первичного предельного амина.

C_nH_{2n +1} N H₂ + O₂ ------------ N₂ + CO_{2 +} H₂O

Найдем количество вещ - ва азота:

ν = V / V_mν (N₂) = 2,24л / 22,4л/моль = 0,1моль

ν (N) = 2 ν (N₂) = 0,2моль

Значит, кол – во азота в левой части тоже равна 0,2моль. Следовательно, и ν (C_nH_2n+1 N H₂) = 0,2моль.

Тогда найдем молярную массу:

М = m / ν М (C_nH_2n+1 N H₂) = 9г / 0,2моль= 45г/моль

М (C_nH_{2n +1} N H₂) = 12n +2n + 1 + 14 +2 = 45

14n = 28 n = 2

Формула амина C₂H₅N H₂