Установление химического элемента и формулы вещества

ГЛАВА  6

УСТАНОВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И ФОРМУЛЫ ВЕЩЕСТВА

6.1. Элементы теории.

Примеры решения задач

Если химическая формула вещества позволяет найти массовые доли или массы отдельных элементов в нем, то, напротив, зная массы или массовые доли элементов, можно решить обратную задачу— установить формулу вещества или химический элемент.

Чтобы вывести формулу вещества, необходимо, очевидно, найти соотношение целых чисел атомов (или целочисленное отношение количества вещества) элементов в нем. При этом такое наименьшее соотношение отвечает простейшей (эмпирической) формуле. Например, для следующего ряда соотношений между атомами N и О: 1:2, 2:4, 3:6 наименьшим является первое, поэтому простейшая формула вещества NO2 (а не N2O4 или N3O6).

В задачах на определение простейшей формулы обычно даны массовые доли элементов в веществе, а значение Мr вещества не указано. Числа атомов элементов в таком случае можно выразить из формулы (5.5). Имеем

N(Э)=w(Э)·Mr  /Ar(Э)                                       (6.1)

Для вешества состава AxByCz получаем

X=w(A).Mr/Ar(A) ; y=w(B).Mr/Ar(C) ; z=w(C).Mr/Ar(C)

Тогда отношения чисел атомов A,BandC равно:

x : y : z = w(A).Mr/Ar(A) : w(B).Mr/Ar(B) : W(C).Mr/Ar(C) .

В этом выражении Mr является константой , сокращая на которую получаем:

x : y : z = w(A)/Ar(A) : w(B)/Ar(B) : w(C)/Ar(C)  .

Подобное соотношение можно использовать и в тех случаях когда известны массовые доли комбинаций элементов в веществею. Например, для формулы вещества (АВ)x (CD)y имеем

X : Y = w(AB)/Mr(AB) : w(CD)/Mr(CD)  .

Пример 6.1 Массовая доля безводной соли вкристаллогидрате фосфата цинка равна 84,2 %.

Установите формулу кристаллогидрата.

Решение. Формулу кристаллогидрата (Кг) представим в виде Zn3(PO4)2 . xH2O. Необходимо установить число молекул воды (x) в составе одной формулной единицы Кг. Составляем выражение для массовой доли безводной соли в Кг:

W(Zn3(PO4)2)= Mr(Zn3(PO4)2)/Mr(Zn3(PO4)2.xH2O) ;

Mr(Zn3(PO4)2)=385 ;

Mr(Zn3(PO4)2.xH2O)=Mr(Zn3(PO4)2) + x.Mr(H2O)=385 + x . 18

Получаем

0,842 = 345/345 +x.18   X=4.

Формула кристаллогидрата: Zn3(PO4)2 . 4H2O

Ответ : Zn3(PO4)2 . 4H2O

 Пример 6.2. Опредилите формулу гидроксида железа, если в нем массовые доли железа , кислорода и водорода соответственно равны (%) 62,22 ; 35,55 ; 2,22.

Решение. Задача решается несколькими способами.

Вариант 1. Расчет ведем по числу атомов в одной структурной единице.

Представим формулу гидроксида как FexOyHz. Тогда на основании выражения (6.2) имеем

x : y : z = w(Fe)/Ar(Fe) : w(O)/Ar(O) : w(H)/Ar(H) = 62,22/56 : 35,55/16 : 2,22/1= 1,11:2,22:2,22  .

Отношения дробных чисел надо привести к отношению целых чисел, так как числа атомов в структурной единице не могут быть дробными. С этой целью все числа предыдущего соотношения делим на наименьшее из них ( т.е на 1,11) Получаем

X : Y : Z =1:2:2 ,

Т.е формула вещества : Fe(OH)2.

Вариант 2. Расчет ведем по количеству вещества атомов в 1 моль вещества.

Пусть имеется 100г гидроксида железа . Находим массы элементов в нем по формуле .

m (Fe)=w(Fe) . mb=0,6222 . 100= 62,22г

m(O)=w(O) .mb= 0,3555 . 100 = 35,5 г

m(H) =w(H) .mb= 0,0222 .100 =2,2 г

Тогда v(Fe) : v(O) : v(H) = m(Fe)/M(Fe) : m(O)/M(O) : m(H)/M(H) = 62,22/56 : 35,55/16 : 2,22/1 = 1,11 : 2,22 =1:2.

Вариант 3 Формулу гидроксида , очевидно , можно представить в  видеFex(OH)y. Используем выражение (6.3),имеяв виду , что в этом случае

W(OH) =w(O) + w(H) = 35.55+2.22 = 37.77 %   Mr(OH) =16 + 1= 17

Получаем

X :Y = w(Fe)/Ar(Fe) : w(OH)/Mr(OH) =62,22/56 : 37,77/17 = 1,11 : 2,22 = 1: 2.

Формула гидроксида : Fe(OH)2.

Ответ :Fe(OH)2.

Пример 6.3 Определите простейшую формулу вещества , в котором массовые доли углерода , водорода и кислорода соответственно равны (%) 68,85  4,92  26,23

Решение. Представив формулу вещества как CxHyOz, имеем:

X:Y:Z = w(C)/Ar(C) : w(H)/Ar(H) : w(O)/Ar(O)=68,85/12 : 4,92/1 : 26,23/16= 5,745 :4,92:1,64.

Уже на этой стадии часто допускается ошибка, поскольку многие округляют данные числа и получают : x:y:z= 6:5:2. Это неверно , такие округления допустимы , если отличие чисел от целых невелики . Для получения правильного результата  делим полученное отношение чисел на наименьшее из них , т.е на 1,64:5,745:1,64 =(5,745 : 1.64) : (4.92:1,64 ) : (1,64 : 1,64 ) = 3.5 : 3 : 1 .