Продолжение. Начало см. в № 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22/2004

Урок 14.
Получение, химические свойства
и применение бензола

Получение. Важнейшими источниками ароматических углеводородов служат:

каменный уголь , точнее, образующиеся при пиролизе угля каменноугольная смола и коксовый газ; так, из 1 т угля получают 1 кг бензола, 200 г толуола, 50 г ксилолов, 200 г фенола, 1 кг крезолов, 2,5 кг нафталина;
нефть , вернее сказать, продукты перегонки и пиролиза нефти.

Химические реакции, протекающие при пиролизе нефти с целью получения ароматических углеводородов, объединяет общее понятие риформинг или ароматизация нефти . Главные процессы при риформинге:
Дегидрирование циклогексанов и алкилциклопентанов в бензол, толуол и ксилолы:

Риформинг этилциклопентана происходит с расширением цикла из пятичленного в шестичленный:

Циклизация предельных и непредельных углеводородов в арены (отщепление водорода с замыканием цикла):

Химические свойства. Бензол – родоначальник аренов – относится к ненасыщенным соединениям. Однако из-за особенности строения бензольного ядра его структура очень устойчивая (сопряжение трех -связей).
Реакции замещения атомов водорода в ароматическом кольце.
Галогенирование бензола в присутствии катализатора FeBr 3 при умеренном нагревании:

Нитрование бензола при действии концентрированной азотной кислоты в присутствии водоотнимающего средства Н 2 SO 4 (конц.) и при нагревании:

Реакции присоединения по -связям в бензольном кольце.
Гидрирование бензола (присоединение водорода) протекает при нагревании в присутствии катализатора платины, продукт реакции – циклогексан:

Хлорирование бензола протекает с трудом при ультрафиолетовом или ярком солнечном освещении. В реакции происходит полное хлорирование, т.е. присоединение трех молекул Сl 2 к одной молекуле бензола:

Горение . Бензол горит на воздухе коптящим пламенем:

2С 6 Н 6 + 15О 2 12СО 2 + 6Н 2 О.

Применение. Бензол служит растворителем многих органических веществ. Его используют как исходное вещество в синтезе нитробензола С 6 Н 5 NO 2 и хлорбензола С 6 Н 5 Сl. Эти соединения являются растворителями. Кроме того, из них получают анилин С 6 Н 5 NH 2 и фенол С 6 Н 5 ОН:

Алкилированием бензола этиленом в присутствии катализатора АlСl 3 получают этилбензол, который превращают в стирол, а затем в полистирол и другие полимеры (с бутадиеном-1,3 – бутадиенстирольный каучук):

Некоторые хлорпроизводные бензола являются пестицидами – средствами борьбы с вредными организмами. Так, гексахлорбензол С 6 Сl 6 используют для обработки семян зерновых перед посадкой (протравливания) против грибкового заболевания – твердой головни. Вещества, препятствующие развитию грибковых заболеваний, называют фунгицидами.
Производное бензола с двумя атомами хлора в кольце (торговое название – «2,4-Д») служит гербицидом – веществом, уничтожающим сорняки:

УПРАЖНЕНИЯ.

1. Напишите уравнения реакций дегидрирования (ароматизации): а) метилциклогексана;
б) метилциклопентана.

2. Толуол бромируется и нитруется подобно бензолу, но при меньшем нагревании (30 °С). Причем входящие заместители направляются в орто- и параположения относительно метильной группы кольца. Составьте уравнения реакций монобромирования и мононитрования толуола.

3. Реакция хлорирования толуола в парах (при температуре кипения толуола 110 °С и освещении электрической лампой 500 Вт) дает преимущественно продукт монохлорирования в группе СН 3 боковой цепи, т.е. вещество С 6 Н 5 СН 2 Сl. Составьте уравнение этой реакции.

4. Составьте уравнения реакций горения толуола и ксилола.

5. Действием брома на 78 г бензола получено столько же (78 г) бромбензола. Какой выход (в %) бромбензола в реакции?

Простое вещество – фосфор; латинское название – Phosphorus; обозначение – P.

Изотопы фосфора охватывают диапазон от 90500 до 98500 электронных секций торовых вихрей.

Титульный атом фосфора состоит из 95200 электронных секций.

Исходные торовые вихри атомов неона, натрия, магния, алюминия и кремния сминались с четырёх сторон, а у фосфора они сминаются с пяти.

В промежуточном состоянии атом фосфора представляет собой пятилучевую звезду с петлями на концах лучей.

Своей грейферной формой атом фосфора похож на атом азота с тем лишь отличием, что у него – более длинные концы (лучи), и их – не три, а пять.

Большая длина концов делает их более гибкими, поэтому они имеют возможность слипаться попарно. При этом смыкаются не только петли, но и их жёлобы.

После того, как произошло парное слипание концов, остаётся свободным пятый конец звезды (у этого конца нет пары).

Активными элементами таких атомов являются петли и жёлобы свободных концов.

Назовём фосфор, состоящий из грейферных атомов,- атомарным.

Характерным соединением атомарного фосфора является соединение его атомов с атомами водорода. Колечко атома водорода без труда прилипает к петле свободного конца атома фосфора.

С повышением температуры раскрываются сомкнувшиеся концы атомов фосфора, и атомы водорода прилипают к их петлям.

В первую очередь раскрывается пара, соседствующая со свободным концом атома. Вторая пара раскрывается при более высокой температуре.

В результате в общей массе атомарного фосфора образуются молекулы PH, PH 3 , PH 5 .

Отметим одну особенность атомарного фосфора – его холодное свечение; возникает оно следующим образом.

Тепловые колебания атома фосфора в холодном состоянии сосредотачиваются на его свободном конце. Причём длина конца такая, что на нём укладывается нечётное число колеблющихся струн. При внешнем ударе колебания обегают атом с разных сторон и уходят на свободный конец. Там они сходятся на последней струне, и их амплитуды складываются. Результирующий размах колебаний последней струны может превышать порог срыва световой волны даже при комнатной температуре. Поэтому с петель свободных концов атомов постоянно срываются световые волны.

Атомарное строение фосфора сохраняется благодаря грейферной форме его атомов.

Как только атомы раскрываются, они слипаются попарно всеми своими пятью концами; возникает молекула P 2 . Способствуют раскрытию атомов интенсивные тепловые колебания (высокая температура).

Слипшиеся в молекулы атомы фосфора напоминают сомкнувшиеся ладони. Назовём такой фосфор – молекулярным.

Молекулы фосфора – плоские.

У них нет открытых петель, и поэтому они не могут соединяться с атомарным водородом.

Химически активными элементами молекул фосфора являются боковые стороны концов (лучей). Уясним сказанное.

Пока атомы фосфора не соединились в молекулы, активными у них были жёлобы лучей. При слипании в молекулы эти жёлобы сомкнулись и нейтрализовались. Пары лучей превратились в стволы, у которых активными стали боковые стороны.

Характерным соединением молекулярного фосфора является его соединение с кислородом. Атомы кислорода располагаются между концами молекул фосфора – по пять атомов на молекулу. Формула такого оксида фосфора – P 2 O 5 .

Кроме атомарного и молекулярного фосфоров существует ещё одна его разновидность – сложно-молекулярная, когда несколько молекул объединяются в единое целое. Формула такой разновидности – P 2 n , где n – число объединившихся молекул.

Молекулы внедряются концами друг в друга и образуют плоские конструкции типа пластин графита из углерода.

Атомы кислорода при соединении со сложными молекулами фосфора заполняют только незанятые промежутки между концами.

Так при объединении трёх молекул фосфора (P 2) 3 остаются незанятыми девять их промежутков, и формула оксида выглядит как (P 2) 3 *O 9 или как (P 2 O 3) 3 .

Фосфор в Природе. Основные минералы, в которых содержится фосфор,- это фосфорит, фторапатит и гидроксоапатит. Богатые залежи разных апатитов имеются на Кольском полуострове (Хибины).

Много фосфора содержится в живых организмах. У взрослого человека его – около 4,5 килограммов. Фосфор присутствует в костях, в мышцах, в мозговой ткани и в нервах.

Существует много разновидностей фосфора. Из них можно выделить белый, красный и чёрный фосфоры.

Получая путём тепловой перегонки атомарный фосфор, можно быстрым охлаждением сохранить его в атомарном виде; это – белый фосфор.

Белый фосфор легко вступает в химические реакции. Он может соединяться с атомарным водородом, с кислородом, с металлами и другими веществами.

Он очень ядовит и оставляет на теле трудно заживающие химические ожоги.

При высокой температуре (250…300 градусов) без доступа воздуха атомарный белый фосфор превращается в молекулярный, и его цвет изменяется на красный.

Чёрный фосфор со сложно-молекулярным строением образуется при нагревании красного фосфора под высоким давлением (около 12 тысяч атмосфер).

Красный фосфор химически менее активен, чем белый, а чёрный менее активен, чем красный.

Использование фосфора. Красный фосфор входит в состав горючих веществ, которыми покрывают головки спичек.

Очень много фосфора уходит на производство минеральных удобрений, таких как суперфосфат, фосфоритная мука, преципитат и других.

Фосфорную кислоту используют в качестве кормовой добавки.

1. 5 Часть 1. Типовые задачи. 1.1. Основные понятия химии. 1.1.1. Количество вещества (ν), масса (m), молярная масса (М), число Авогадро (NА) Пример 1. Какое количество вещества магния и сколько атомов магния содержится в образце чистого магния массой 6 г? Какова масса одного атома магния? Решение: ν = m / M = 6 / 4 = 0,25 моль; N = νּ NA = 0,25 · 6,023 · 1023 = 1,506 ּ 1023 атомов. m(атома) = M / NA = 24 / 6,023 ּ 1023 = 3,985 · 10-23 г* . Ответ: ν(Mg) = 0,25 моль; N(Mg) = 1,506 · 1023 атомов; m(атома Mg) = 3,985 · 10-23 г. Пример 2. Какие количества вещества сульфата натрия, атомов натрия, атомов серы и атомов кислорода содержатся в 71 г сульфата натрия? Решение: M(Na2SO4) = 2 · M(Na) + M(S) + 4 · M(O) = 2 · 23 + 32 + 4 · 16 = 142 г/моль. ν(Na2SO4) = m / M = 71 / 142 = 0,5 моль. 1 моль Na2SO4 содержит 2 моль атомов натрия, 1 моль атомов серы и 4 моль атомов ки- слорода: ν(Na) = 2 · ν(Na2SO4) = 2 · 0,5 = 1моль; ν(S) = ν(Na2SO4) = 0,5 моль; * * Примечание: Расчеты рекомендуется производить с точностью, по меньшей мере, до трех значащих цифр. В тех случаях, когда в условии задачи исходные числовые данные приведены с большей точностью, лучше придерживаться такой же точности, что и в условии задачи. При округлении, если следующая значащая цифра меньше пяти, то ее отбрасывают, а если больше, то предыдущую увеличивают на единицу. Пример: 0,32653 ≈ 0,327; 0,04741 ≈ 0,0474. m m m = ν · M [г] ν = [моль] M = [г/моль] M ν NA = 6,023 · 1023 [моль-1 ] N (число частиц) = ν · NA
2. 6 ν(О) = 4ּ ν(Na2SO4) = 4 · 0,5 = 2 моль. Ответ: ν(Na2SO4) = 0,5 моль; ν(Na) = 1 моль; ν(S) = 0,5 моль; ν(О) = 2 моль. Пример 3. Определите суммарное число элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов), содержащихся в 4,4 г изотопа бора с массовым числом 11. Решение: Ar = N + Z Ar – относительная атомная масса, равная массовому числу изотопа и численно равная молярной массе изотопа в г/моль; N – число нейтронов в ядре; Z – число протонов в ядре, равное числу электронов в нейтральном атоме и соответствующее атомному но- меру элемента. N = Ar - Z = 11 – 5 = 6 Один атом бора содержит 5 протонов, 5 электронов и 6 нейтронов - всего 5 + 5 + 6 = 16 элементарных частиц, следовательно, 1 моль атомов бора содержит 16 моль элемен- тарных частиц. ν(B) = m / M = 4,4 / 11 = 0,4 моль; ν(элементарных частиц) = 16 · ν(B) = 16 · 0,4 = 6,4 моль. N(элементарных частиц) = ν(элементарных частиц) · NA = 6,4 · 6,023 · 1023 = 3,855 · 1024 . Ответ: в 4,4 г бора содержится 3,855 · 1024 элементарных частиц. Пример 4. Определите количества веществ и массы сульфата железа и воды, содержа- щихся в 100 г железного купороса (семиводного кристаллогидрата сульфата железа(II): FeSO4·7H2O). Решение: M(FeSO4) = 56 + 32 + 16 · 4 = 152 г/моль; М(Н2О) = 1 · 2 + 16 = 18 г/моль. М(FeSO4·7H2O) = M(FeSO4) + М(Н2О) · 7 = 152 + 18 · 7 = 278 г/моль. ν(FeSO4·7H5O) = m / M = 100 / 278 = 0,360 моль. 1 моль семиводного кристаллогидрата сульфата железа содержит 1 моль безводного сульфата железа и 7 моль воды. ν(FeSO4) = ν(FeSO4·7H2O) = 0,36 моль. ν(Н2О) = ν(FeSO4.7H2O) · 7 = 2,52 моль. m(FeSO4) = ν(FeSO4) · M(FeSO4) = 0,36 · 152 = 54,7 г; m(H2O) = ν(Н2О) · М(Н2О) = 2,52 · 18 = 45,4 г. Ответ: ν(FeSO4) = 0,36 моль; m(FeSO4) = 54,7 г; ν(Н2О) = 2,52 моль; m(H2O) = 45,4 г.
3. 7 Пример 5. Определите состав и массу одной молекулы кристаллической серы (в грам- мах), если известно, что масса 0,15 моль кристаллической серы равна 38,4 г. Решение: Пусть в состав молекулы кристаллической серы входит n атомов серы, тогда ее хими- ческая формула Sn. M(Sn) = M / ν= 38,4 / 0,15 = 256 г/моль. n = M(Sn) / M(S)= 256 / 32 = 8. m(молекулы серы) = М(S8) / NA = 256 / 6,023 · 1023 = 4,25 · 10-22 г. Ответ: в состав молекулы серы входит 8 атомов; масса молекулы серы = 4,25 · 10-22 г. Задачи для самостоятельного решения: 1. Определите количество вещества электронов и число протонов, содержащихся в образце сульфата железа (II) массой 30,4 г. 2. Определите количества веществ и массы карбоната натрия и воды, образующиеся при прокаливании 85,8 г кристаллической соды (десятиводного кристаллогидрата карбоната натрия). 3. Определите массу водорода, содержащуюся в 3,01·1023 молекулах метана. 4. Определите относительную молекулярную массу некоторого простого вещества В, если масса одной молекулы В составляет 5,31·10-23 г. 5. Дано 6,3 г азотной кислоты. Определите массу угольной кислоты в граммах, в кото- рой содержится такое же число молекул. 6. Определите число атомов углерода, содержащихся в 0,01 моль пропана. 7. Определите, в каком количестве озона содержится 5,421·1022 атомов кислорода. 8. Масса одной молекулы белого фосфора равна 2,06 · 10-22 г. Рассчитайте число ато- мов в одной молекуле белого фосфора. 1.1.2. Массовая доля элемента (ω) в химическом соединении или в смеси. Пример 6. Вычислите массовую долю азота как элемента в смеси, содержащей 1,5 моль азота и 0,5 моль аммиака. Решение: m(элемента) Для смеси: ω = ω% = ω · 100 m(смеси) Для химического соединения формулы AxByCz: x · M(A) y · M(B) z · M(C) ω(A) = ; ω(B) = ; ω(C) = M(AxByCz) M(AxByCz) M(AxByCz)
4. 8 m(N2) = ν(N2) · M(N2) = 1,5 · 28 = 42 г. m(NH3) = ν(NH3) · M(NH3) = 0,5 · 17 = 8,5 г. m(смеси) = m(N2) + m(NH3) = 42 + 8,5 = 50,5 г. ν(N в N2) = 2 · ν(N2) = 2 · 1,5 = 3 моль. ν(N в NH3) = ν(NH3) = 0,5 моль. ν(N в смеси) = 3 + 0,5 = 3,5 моль. m(N) = ν(N) · M(N) = 3,5 · 14 = 49 г. ω(N) = m(N) / m(смеси) = 49 / 50,5 = 0,97 (97%). Ответ: ω(N) = 97%. Пример 7. Определите массовые доли элементов в ортофосфорной кислоте. Решение: M(H3PO4) = 3 · M(H) + M(P) + 4 · M(O) = 3 · 1 + 31 + 4 · 16 = 98 г/моль. ω(Н) = 3 · M(H) / M(H3PO4) = 3 · 1 / 98= 0,0306 (3,06%); ω(Р) = M(P) / M(H3PO4) = 31 / 98 = 0,3163 (31,63%); ω(О) = 4 · M(O) / M(H3PO4) = 4 · 16 / 98 = 0,6531 (65,31%). Ответ: ω(Н) = 3,06%; ω(Р) = 31,63%; ω(О) = 65,31%. Пример 8. Определите количества и массы веществ, содержащихся в 26,2 г смеси ок- сида фосфора (V) и оксида серы (VI), если известно, что массовая доля фосфора как элемента в этой смеси составляет 23,66%. Решение: 1) Если в условии задачи массовые доли приведены в процентах, то для удобства рас- четов их лучше сразу перевести в доли единицы: ω = ω% / 100; ω(P) = 23,66 / 100 = 0,2366. 2) m(P) = m(смеси) · ω(Р) = 26,2 · 0,2366 = 6,2 г; ν(Р) = m(P) / М(P) = 6,2 / 31 = 0,2 моль. Один моль Р2О5 содержит два моль атомов Р, поэтому количество вещества Р2О5 в два раза меньше количества вещества фосфора: ν(Р2О5) = ν(Р) / 2 = 0,2 / 2 = 0,1 моль; m(Р2О5) = ν(Р2О5) · М(Р2О5) = 0,1 · 142 = 14,2 г. 3) m(SO3) = m(смеси) – m(Р2О5) = 26,2 – 14,2 = 12 г; ν(SO3) = m(SO3) / М(SO3) = 12 / 80 = 0,15 моль. Ответ: ν(Р2О5) = 0,1 моль; m(Р2О5) = 14,2 г; ν(SO3) = 0,15 моль; m(SO3) = 12 г. Пример 9. Определите массы веществ, входящих в состав образца олеума массой 28,5 г, если известно, что массовая доля серы как элемента в нем составляет 33,68%.
5. 9 Решение: 1) Олеум – это раствор оксида серы (VI) в чистой серной кислоте. Пусть количество вещества SO3 в олеуме равно х, а количество вещества серной кислоты в нем равно у, тогда количество вещества S в олеуме равно х, а количество вещества S в серной кислоте равно у. 2) m(SO3) = M(SO3) · x = 80x и m(H2SO4) = M(H2SO4) · y = 98y. 80x + 98y = 28,5 3) ω(S) = 33,68 / 100 = 0,3368. m(S) = m(олеума) · ω(S) = 28,5 · 0,3368 = 9,6 г; ν(S) = m(S) / M(S) = 9,6 / 32 = 0,3 моль; х + у = 0,3. 4) Составляем систему уравнений и решаем ее: х + у = 0,3 · 98 98x + 98y = 29,4 18х = 0,9 у = 0,3 – 0,05 = 0,25 80x + 98y = 28,5 80x + 98y = 28,5 х = 0,05 5) m(SO3) = M(SO3) · x = 80x = 80 · 0,05 = 4 г. m(H2SO4) = M(H2SO4) · y = 98y = 98 · 0,25 = 24,5 г. Ответ: m(SO3) = 4 г; m(H2SO4) = 24,5 г. Пример 10. Массовая доля элемента в оксиде неизвестного элемента (V) составляет 56,04 %. Определите неизвестный элемент и молярную массу его оксида. Решение: Формула оксида Э2О5. ω(О) = 1 – ω(Э) = 1 – 0,5604 = 0,4396. 1 моль оксида со- держит 5 моль кислорода. Масса кислорода в одном моле оксида = 5 ·16 = 80 г. Масса одного моля оксида – это его молярная масса: М(Э2О5) = m(О в одном моле оксида) / ω(О) = 80 / 0,4396 = 182 г/моль. М(Э) = [М(Э2О5) – 5 · М(О)] / 2 = (182 – 80) / 2 = 51 г/моль. В периодической системе элементов находим, что атомную массу 51 имеет элемент ва- надий (V). Ответ: элемент – ванадий; М(V2О5) = 182 г/моль. Задачи для самостоятельного решения: 9. Определите массовую долю железа в Fe2O3. 10. Соединение некоторого элемента имеет формулу Э2О3, а массовая доля элемента в нем составляет 68,42 %. Установите элемент. 11. В ортофосфате элемента (II) массовая доля этого элемента составляет 68,44 %. Оп- ределите, о фосфате какого элемента идет речь. 12. Определите формулу кристаллогидрата фосфата натрия, если известно, что массо- вая доля водорода как элемента в нем составляет 6,316 %.
6. 10 13. Определите массовую долю калия как элемента в смеси, состоящей из 25,25 г нит- рата калия и 41,4 г карбоната калия. 14. Определите количества и массы веществ, содержащихся в образце смеси оксидов алюминия и кремния массой 43,68 г, если массовая доля кислорода как элемента в этой смеси составляет 49,82 % . 1.1.3. Определение формулы вещества Пример 11. Определите простейшую формулу вещества, в котором массовые доли натрия, фосфора и кислорода составляют 34,59, 23,31 и 42,10 % соответственно. Решение: NaxPyOz. x: y: z = ν(Na) : ν(P) : ν(O) = m(Na) / M(Na) : m(P) / M(P) : m(O) / M(O). 1) Если взять m(NaxPyOz) = 100 г, то m(Na) = 34,59 г; m(P) = 23,31г и m(O) = 42,1 г. x: y: z = 34,59 / 23: 23,31/ 31: 42,1 / 16 = 1,504: 0,752: 2,63. 4) Для получения целых значений x, y и z полученные цифры сначала надо разделить на наименьшую из них (0,752): x: y: z = 2: 1: 3,5. 5) Если не все полученные цифры целые (как в данном случае), то необходимо подоб- рать наименьший множитель, который превратил бы их в целые (здесь 2): x: y: z = 4: 2: 7 Простейшая формула вещества Na4P2O7. Ответ: Na4P2O7. Пример 12. Определите молекулярную формулу вещества, состоящего из кислорода, азота, фосфора и водорода, если известно, что оно содержит по массе 48,48 % кислоро- да, число атомов азота в нем в два раза больше числа атомов фосфора, а количество атомов водорода в соединении в 2,25 раза больше количества атомов кислорода. Мо- лярная масса вещества меньше 200 г/моль. Решение: Формула вещества OxNyPzHk 1) Пусть масса вещества равна 100 г, тогда m(О) = 48,48 г. ν(О) = m(О) / М(О) = 48,48 / 16 = 3,03 моль. Для вещества формулы AxByCz…… x: y: z = ν(A) : ν(B) : ν(C)……..
7. 11 2) ν(Н) = ν(О) · 2,25 = 3,03 · 2,25 = 6,82 моль. m(Н) = ν(Н) · М(Н) = 6,82 · 1 = 6,82 г. 3) m(N + P) = m(вещества) - m(О) - m(Н) = 100 – 48,5 – 6,82 = 44,68 г. m(N) = ν(N) · M(N) = 14 ּ ν(N); m(P) = ν(P) · M(P) = 31ּ ν(P). 4) Составляем систему уравнений и решаем ее: 14ν(N) + 31ν(P) = 44,68 28ν(Р) + 31ν(P) = 44,68 ν(Р) = 0,757 моль ν(N) = 2 · ν(P) 59ν(Р) = 44,68 ν(N) = 0,757 · 2 = 1,514 моль 5) x: y: z: k = 3,03: 1,514: 0,757: 6,82 = 4: 2: 1: 9. O4N2PH9 Мы определили простейшую формулу вещества. Молекулярная формула может со- держать удвоенное, утроенное и т.д. число атомов. Чтобы убедиться, что молекулярная формула совпадает с простейшей, подсчитаем молярную массу вещества: М(O4N2PH9) = 16 · 4 + 14 · 2 + 31 + 1 · 9 = 132 г/моль. 132 < 200. Очевидно, что молярная масса для удвоенной формулы будет больше 200, что про- тиворечит условию задачи, следовательно, молекулярная формула вещества O4N2PH9. Перегруппировав атомы легко догадаться, что это вещество является гидрофосфатом аммония (NH4)2HPO4. Ответ: (NH4)2HPO4. Пример 13. При полном сгорании 6 г органического вещества образовалось 8,8 г окси- да углерода (IY) и 3,6 г воды. Определите молекулярную формулу сожженного веще- ства, если известно, что его молярная масса равна 180 г/моль. Решение: 1) Судя по продуктам сгорания, вещество содержало углерод, водород и, возможно, кислород. CxHyOz + O2 → x CO2 + 0,5y H2O 2) Определяем количество вещества и массу углерода в CO2: ν(CO2) = 8,8 / 44 = 0,2 моль. ν(С) = ν(CO2) = 0,2 моль. m(C) = 0,2 · 12 = 2,4 г. 3) Определяем количество вещества и массу водорода в H2O: ν(H2O) = 3,6 / 18 = 0,2 моль. ν(Н) = 2 · ν(H2O) = 2 · 0,2 = 0,4 моль. m(Н) = 0,4 · 1 = 0,4 г. 4) Определяем массу и количество вещества кислорода в органическом веществе: m(O) = m(вещества) - m(C) – m(Н) = 6 – 2,4 – 0,4 = 3,2 г. ν(О) = 3,2 / 16 = 0,2 моль. 5) Определяем простейшую формулу:
8. 12 x: y: z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 0,2: 0,4: 0,2 = 1: 2: 1. CH2O. Молекулярная формула (CH2O)n 6) Для того чтобы найти значение n, определяем молярную массу фрагмента CH2O М(CH2O) = 12 + 2 + 16 = 30 г/моль. n = М(вещества) / М(CH2O) = 180 / 30 = 6. Мо- лекулярная формула: С6Н12О6 Ответ: Молекулярная формула сожженного вещества С6Н12О6. Задачи для самостоятельного решения: 15. Определите молекулярную формулу соли с молярной массой менее 300, в которой массовые доли азота, водорода, хрома и кислорода составляют 11,11; 3,17; 41,27 и 44,44 % соответственно. 16. Элементы А и Б образуют соединение, содержащее 89,89 % (по массе) элемента Б. При гидролизе этого вещества выделяется газ, содержащий элемент Б и 1,234 % (по массе) водорода. Определите формулу вещества, содержащего элементы А и Б, напи- шите реакцию его гидролиза. 17. Определите формулу кристаллогидрата соли, если известно, что массовые доли на- трия, углерода, водорода и кислорода в нем составляют 16,08; 4,196; 6,933 и 72,73 % соответственно. 18. При полном сгорании некоторого количества ароматического углеводорода ряда бензола (CnH2n-6) образовалось 14,08 г оксида углерода (IV) и 3,6 г воды. Предложите возможные структурные формулы изомеров этого углеводорода. 19. При сжигании 26,7 г аминокислоты (CxHyOzNk) в избытке кислорода образуется 39,6 г оксида углерода (IV), 18,9 г воды и 4,2 г азота. Определите формулу аминокисло- ты. 1.1.4. Расчеты по уравнениям химических реакций. Выход (η) продукта в реак- ции или в процессе. Пример 14. Раствор, содержащий 0,2 моль хлорида алюминия, смешали с раствором, содержащим 0,3 моль нитрата серебра. Определите количество вещества выпавшего в осадок хлорида серебра и количества веществ, оставшихся в растворе. Количества веществ, вступающих в химическую реакцию и образующихся в результате этой реакции, соотносятся как коэффициенты в уравнении реак- ции, например: 2 С2Н6 + 7 О2 → 4 СО2 + 6 Н2О ν(С2Н6) : ν(О2) : ν(СО2) : ν(Н2О) = 2: 7: 4: 6 ν(практически полученное) m(практически полученная) η = = ; ν(теоретически возможное) m(теоретически возможная) η % = η * 100
9. 13 Решение: 1) Запишем уравнение химической реакции и не забудем расставить необходимые ко- эффициенты: AlCl3 + 3 AgNO3 → Al(NO3)3 + 3 AgCl ↓ Согласно уравнению реакции 1 моль хлорида алюминия реагирует с 3 моль нитрата се- ребра, при этом образуется 1 моль нитрата алюминия и 3 моль хлорида серебра. 2) Определяем, какой из двух реагентов находится в избытке. Для этого количества веществ разделим на соответствующие коэффициенты в уравнении реакции и сравним полученные цифры. То вещество, для которого полученная цифра является наименьшей, находится в недостатке: (AlCl3) 0,2 / 1 = 0,2; (AgNO3) 0,3 / 3 = 0,1. 0,2 > 0,1 Следовательно, хлорид алюминия имеется в избытке, а нитрат серебра в недостатке. 3) Расчет ведется всегда по тому веществу, которое находится в недостатке, т.е. по нитрату серебра. Количества прореагировавшего нитрата и образовавшегося хлори- да серебра равны между собой, так как коэффициенты в уравнении реакции для этих веществ одинаковы, поэтому: ν(AgCl) = ν(AgNO3) = 0,3 моль. Коэффициенты для хлорида и нитрата алюминия в уравнении в три раза меньше, чем для хлорида серебра, поэтому количества прореагировавшего хлорида алюминия и об- разовавшегося нитрата алюминия тоже в три раза меньше: ν = ν(AgCl) / 3 = 0,3 / 3 = 0,1 моль В растворе осталось не прореагировавшим 0,2 – 0,1 = 0,1 моль хлорида алюминия. Все эти рассуждения и результаты расчетов очень полезно отображать следующим об- разом: в уравнении реакции количества исходных веществ записывать над соответст- вующими формулами, количества прореагировавших и образовавшихся веществ под ними, вещество, бывшее в избытке и оставшееся после реакции указывать в правой части уравнения химической реакции в скобках, проставив под ним его оставшееся ко- личество. Было: 0,2 0,3 AlCl3 + 3 AgNO3 → Al(NO3)3 + 3 AgCl ↓ + (AlCl3) Прореагировало: 0,1 0,3 стало: 0,1 0,3 0,1 Ответ: В осадок выпало 0,3 моль AgCl, в растворе осталось 0,1 моль Al(NO3)3 и 0,1 моль AlCl3. Пример 15. Осадок, образовавшийся после смешивания растворов, содержащих 6,8 г хлорида цинка и 5,85 г сульфида натрия, обработали избытком соляной кислоты. Вы- делившийся газ сожгли в избытке кислорода, и продукты сгорания растворили в избыт- ке раствора гидроксида натрия. Определите массу образовавшейся соли.
10. 14 Решение: 1) Рассчитаем количества веществ, содержавшихся в исходных растворах: ν(ZnCl2) = 6,8 / 136 = 0,05 моль; ν(Na2S) = 5,85 / 78 = 0,075 моль. 2) Запишем все уравнения происходящих химических реакций, определим какое из исходных веществ было в недостатке, и проставим количества реагирующих и об- разующихся веществ: Было: 0,05 0,075 ZnCl2 + Na2S → ZnS ↓ + 2 NaCl + (Na2S) (1) Прореагировало: 0,05 0,05 стало: 0,05 Было: 0,05 избыток ZnS + 2 HCl → ZnCl2 + H2S (2) Прореагировало: 0,05 стало: 0,05 Было: 0,05 избыток 2 H2S + 3 О2 → 2 SO2 + 2 Н2О (3) Прореагировало: 0,05 стало: 0,05 Было: 0,05 избыток SO2 + 2 NaOH → Na2SO3 + H2O (4) Прореагировало: 0,05 стало: 0,05 По первому уравнению реакции один моль хлорида цинка реагирует с одни молем сульфида натрия. Согласно условию задачи количество вещества сульфида натрия больше количества вещества хлорида цинка, поэтому последний находится в недостат- ке, и все расчеты производятся по нему. Из последовательности реакций, записанной вышеприведенным образом видно, что конечного продукта (сульфита натрия) образу- ется столько же, сколько было хлорида цинка (0,05 моль). 3) Определяем массу сульфита натрия: m(Na2SO3) = ν(Na2SO3) · M(Na2SO3) = 0,05 · 126 = 6,3 г. Ответ: m(Na2SO3) = 6,3 г. Пример 16. Определите массу серной кислоты, которую можно получить из одной тонны пирита, если выход оксида серы (IV) в реакции обжига составляет 90 %, а оксида серы (VI) в реакции каталитического окисления оксида серы (IV) – 95 % от теоретиче- ского. Решение: 1) 2) ν(FeS2) = m(FeS2) / M(FeS2) = 1000 кг / 120 = 8,33 киломоль. (1 киломоль = 1000 моль) 2) 4 FeS2 + 11O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2
11. 15 Поскольку в уравнении реакции коэффициент при SO2 в два раза больше, чем коэффи- циент при FeS2, ν(SO2) теоретически возможное = 2 · ν(FeS2) = 2 · 8,33 = 16,66 кило- моль. ν(SO2) практически полученное = η · ν(SO2) теоретически возможное = 0,9 · 16,66 = 15 киломоль. 3) 2 SO2 + О2 → 2 SO3 ν(SO3) теоретически возможное = ν(SO2) = 15 киломоль. ν(SO3) практически полученное = η · ν(SO3) теоретически возможное = 0,95 · 15 = 14,25 киломоль. 4) SO3 + Н2О → Н2SO4 ν(Н2SO4) = ν(SO3) = 14,25 киломоль. Выход в послед- ней реакции составляет 100 %. m(Н2SO4) = ν(Н2SO4) · M(Н2SO4) = 14,25 · 98 = 1397 кг. Ответ: m(Н2SO4) = 1397 кг. Задачи для самостоятельного решения: 20. К раствору, содержащему 66,6 г хлорида кальция, прибавили раствор, содержащий 32,8 г ортофосфата натрия. Определите массу выпавшего осадка и массы веществ, ос- тавшихся в растворе. 21. Фосфор, полученный восстановлением 77,5 т руды, содержащей по массе 80 % фосфата кальция и 20 % невосстанавливающихся примесей, использовали для получе- ния ортофосфорной кислоты. Определите массу полученной кислоты, если выход на всех стадиях процесса считать равным 100 %. 22. Какие массы водорода, азота и кислорода необходимо затратить для получения 150,8 кг азотной кислоты, если выход в реакции синтеза аммиака составляет 70 %, в реакции каталитического окисления аммиака до оксида азота (II) – 90 %, в реакции окисления оксида азота (II) до оксида азота (IY) – 100 % и в реакции оксида азота (IY) с водой и кислородом – 95 %. 1.2. Задачи с участием газов. 1.2.1. Молярный объем газа (VM). Нормальные условия (н.у.). Пример 17. Определите массу 26,88 л кислорода при нормальных условиях. Молярный объем газа – это объем, который занимает 1 моль газа VM = V(газа) / ν(газа); V(газа) = ν(газа) · VM; ν(газа) = V(газа) / VM н.у.: Р = 101,3 кПа, Т = 0о С = 273 К. VM (н.у.) = 22,4 л Объединенный газовый закон: P1 V1 / T1 = P2 V2 / T2 = 101,3 · V(н.у.) / 273 Уравнение Менделеева – Клапейрона: P V = ν R T; R = 8,31 Дж/(моль·К)
12. 16 Решение: 1) Находим количество вещества: ν(О2) = V(O2) / VM = 26,88 / 22,4 = 1,2 моль. 2) Определяем массу кислорода: m(O2) = ν(О2) · М(О2) = 1,2 · 32 = 38,4 г. Ответ: m(O2) = 38,4 г. Пример 18. Масса 15 л газа при 18 о С и при давлении 122 кПа равна 30,3 г. Определите молярную массу этого газа. Решение: 1) Переводим температуру в Кельвины: Т = 18 + 273 = 291 К. 2) Приводим объем к нормальным условиям, используя объединенный газовый закон: V(н.у.) = (P · V · 273) / (T · 101,3) = (122 · 15 · 273) / (291 · 101,3) = 499590 / 29478,3 = 16,95 л. 3) Находим количество вещества и молярную массу газа: ν(газа) = V(н.у.) / VM = 16,95 / 22,4 = 0,757 моль; М(газа) = m(газа) / ν(газа) = 30,3 / 0,757 = 40 г/моль. Задачу можно также решить, используя уравнение Менделеева – Клапейрона: ν(газа) = PV / RT = (122 · 15) / (8,31 · 291) = 1830 / 2418 = 0,757 моль. Ответ: М(газа) = 40 г/моль. Пример 19. В сосуд емкостью 5,6 л поместили 75 г карбоната кальция. Сосуд закрыли и нагревали при 400 о С до полного разложения соли. Определите давление в сосуде при этой температуре. Решение: 1) СаСО3 → СаО + СО2 ν(СО2) = ν(СаСО3) = m(СаСО3) / М(СаСО3) = 75 / 100 = 0,75 моль. 2) Находим количество вещества воздуха, бывшего в сосуде: ν(воздуха) = V(сосуда) / 22,4 = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль. 3) Находим общее количество вещества газов в сосуде после разложения: ν(газов) = ν(воздуха) + ν(СО2) = 0,75 + 0,25 = 1 моль. 4) Т = 400 + 273 = 673 К; Р = νRT / V = (1 · 8,31 · 673) / 5,6 = 998,7 кПа. Ответ: Р = 998,7 кПа.
13. 17 Задачи для самостоятельного решения 23. Какой объем (н.у.) займет метан (СН4), масса которого равна массе 40 л азота (н.у.) 24. В результате прокаливания некоторого количества нитрата меди выделилось 11,2 л газов (н.у.). Определите массу исходной соли. 25. После прокаливания 66,6 г некоторого карбоната образовалось 48 г оксида металла (II), в котором массовая доля металла составляет 80 %, 6,72 л газа и некоторое количе- ство воды. Определите формулу исходной соли. 26. Оксид углерода (IV), находившийся в баллоне емкостью 2,8 л под давлением 2000 кПа при температуре 25 о С, пропустили через избыток раствора гидроксида натрия. Определите массу образовавшейся соли. 1.2.2. Абсолютная (ρ) и относительная (D) плотность газа Пример 20. Плотность газа при н.у. составляет 3,615 г/л. определите молярную массу газа и его плотность по водороду и по воздуху. Решение: 1) Находим молярную массу газа: М(газа) = ρ(н.у.) · 22,4 = 3,615 · 22,4 = 81 г/моль. 2) Находим плотность по водороду: DH2 = М(газа) / M(H2) = 81 / 2 = 40,5. 3) Находим плотность по воздуху: D(воздух) = М(газа) / М(воздуха) = 81 / 29 = 2,79. Ответ: М(газа) = 81 г/моль; DH2 = 40,5; D(воздух) = 2,79. Пример 21. Предложите возможные структурные формулы углеводорода, плотность которого по воздуху 1,448. Решение: Формула СхНу. М(СхНу) = D(воздух) · 29 = 1,448 · 29 = 42 г/моль. Углеводород с такой молярной массой не может содержать более трех атомов углерода, так как иначе его молярная масса было бы больше 42. Он также не может содержать меньше трех атомов углерода, так как иначе число атомов водорода было бы слишком велико. у = 42 – 12 · 3 = 6. Формула углеводорода С3Н6. ρ = m / V [г/л]; m = ρ · V; M(газа) = ρ · VM; M(газа) = ρ(н.у.) · 22,4 D2 = ρ1 / ρ2 = M1 / M2; M1 = D2 * M2 M(газа) = D H2 · 2 = D N2 · 28 = DO2 · 32 = D(воздух) · 29
14. 18 Такой формуле соответствуют два углеводорода – пропен (СН2=CH–CH3) и циклопро- СН2 пан (СН2 СН2) Ответ: пропен и циклопропан. Пример 22. Один и тот же сосуд поочередно заполняли при одинаковых условиях тре- мя различными газами, причем масса заполненного сосуда каждый раз составляла 832, 942 и 858 г соответственно. Определите молярную газу первого газа, если известно, что плотность второго газа по третьему равна 2,45, а плотность третьего газа по водо- роду – 14,5. Решение: 1) Находим молярные массы третьего и второго газа: M(3) = DH2 · M(H2) = 14,5 · 2 = 29 г/моль; М(2) = D3 · М(3) = 2,45 · 29 = 71 г/моль. 2) Поскольку объем газа во всех трех случаях был одинаковый, то и количества всех трех газов равны между собой. Пусть количество каждого газа равно х, а масса со- суда равна у, тогда масса третьего газа равна 29х, а масса второго газа равна 71х. Масса сосуда с газом во втором случае равна 71х + у, а в третьем случае 29х + у. 71х + у = 942 42х = 84 у = 942 – 71 · 2 = 800 ν(газа) = 2 моль; 29х + у = 858 х = 2 m(сосуда) = 800г. 3) m(первого газа) = 832 – 800 = 32 г; М(первого газа) = m(первого газа) / ν(газа) = 32 / 2 = 16 г/моль. Ответ: М(первого газа) = 16 г/моль. Задачи для самостоятельного решения 27. Плотность газа по воздуху равна 1,586. Определите что это за газ, если известно, что он состоит из двух элементов, а массовая доля кислорода как элемента в нем со- ставляет 69,5%. 28. Плотность паров фосфора при 400о С и при давлении 101,3 кПа равна 2,246 г/л. Оп- ределите молекулярную формулу фосфора в этих условиях. 29. Определите плотность газовой смеси по водороду, состоящей из 3 л азота и 7 л уг- лекислого газа. 30. В каких объемных отношениях находятся в смеси кислород и метан (СН4), если от- носительная плотность этой смеси по водороду равна 10. 31. В каких объемных отношениях находятся в смеси азот и водород, если 10 л этой смеси при н.у. имеют массу 8 г. 32. В результате термического разложения 37,8 г неизвестной соли образовалось 3,36 л (н.у.) газообразного простого вещества с плотностью по водороду 14, 10,8 г оксида не- металла (I), в котором массовая доля кислорода составляет 88,89 %, и оксид металла (III), в котором массовая доля металла составляет 68,42 %. Определите простейшую формулу исходной соли.
15. 19 1.2.3. Объемная (ϕ) и молярная (χ) доля газа в смеси. Средняя молярная масса газовой смеси (Мср.) Пример 23. Определите молярные и объемные доли метана и водорода в их смеси, ес- ли массовая доля метана в ней составляет 80 %. Решение: 1) Пусть имеется 100 г смеси, тогда m(CH4) = 100 · 0,8 = 80 г. m(Н2) = 100 – 80 = 20 г. 2) Определяем количества веществ газов: ν(СН4) = m(CH4) / М(CH4) = 80 / 16 = 5 моль; ν(Н2) = m(Н2) / М(Н2) = 20 / 2 = 10 моль. Сумма ν всех компонентов смеси = 5 + 10 = 15 моль. 3) Определяем молярные и объемные доли газов: ϕ(СН4) = χ(СН4) = ν(СН4) / сумма ν всех компонентов смеси = 5 / 15 = 0,333 (33,3 %) ϕ(Н2) = χ(Н2) = 1 - χ(СН4) = 1 – 0,333 = 0,667 (66,7 %). Ответ: ϕ(СН4) = χ(СН4) = 33,3 %; ϕ(Н2) = χ(Н2) = 66,7 %. Пример 24. Определите среднюю молярную массу газа, полученного в результате тер- мического разложения нитрата свинца (II). Решение: 2 Pb(NO3)2 → 2 PbO + 4 NO2 + O2 Газовая смесь состоит из NO2 и О2, причем согласно уравнению реакции из двух моль нитрата свинца образуются 4 моль оксида азота (IV) и 1 моль кислорода – всего 5 моль газов. V(компонента смеси) ν(компонента смеси) ϕ = ; χ = ; V(смеси) сумма ν всех компонентов смеси ϕ % = ϕ · 100 χ % = χ · 100 Мср. = χ1 · М1 + χ2 · М2 + ….. по всем компонентам смеси. Для газов χ = ϕ. Мср.(газа) = ϕ1 · М1 + ϕ2 · М2 + ….. по всем компонентам смеси. ν1 · М1 + ν2 · М2 + ….. V1 · M1 + V2 · M2 + …… Мср. = ; Мср.(газа) = ν1 + ν2 + ….. общий объем газовой смеси
16. 20 1) Рассчитываем молярные доли газов в этой смеси: χ(NO2) = ν(NO2) / [ν(NO2) + ν(O2)] = 4 / 5 = 0,8. χ(O2) = ν(O2) / [ν(NO2) + ν(O2)] = 1 / 5 = 0,2. 2) Определяем среднюю молярную массу газовой смеси: Мср. = χ(NO2) · М(NO2) + χ(O2) · М(O2) = 0,8 · 46 + 0,2 · 32 = 43,2 г/моль. Ответ: Мср. = 43,2 г/моль. Пример 25. Какие объемы этана и водорода, измеренные при нормальных условиях, надо взять, чтобы приготовить 20 л (н.у.) газовой смеси с плотностью по воздуху 0,5. Решение: 1) Определяем среднюю молярную массу газовой смеси: Мср. = Dвоздух · 29 = 0,5 · 29 = 14,5 г/моль. 2) Рассчитываем исходные объемы газов, исходя из формулы для средней молярной массы: 14,5 = / 20; 30 · V(С2Н6) + 2 · V(Н2) = 14,5 · 20 = 290. 30 · V(С2Н6) + 2 · V(Н2) = 290 30 · V(С2Н6) + 2 · V(Н2) = 290 V(С2Н6) + V(Н2) = 20 ּ 2 2 · V(С2Н6) + 2 · V(Н2) = 40 28 · V(С2Н6) = 250; V(С2Н6) = 8,93 л; V(Н2) = 20 – V(С2Н6) = 20 – 8,93= 11,07 л. Ответ: V(С2Н6) = 8,93 л; V(Н2) = 11,07 л. Пример 26. В сосуд емкостью 5,6 л, заполненный при нормальных условиях азотом, поместили 37 г смеси нитрата натрия и карбоната кальция. Сосуд закрыли и нагревали до полного разложения содержавшихся в нем солей. Определите массы веществ в твер- дом остатке после прокаливания и состав (в % по объему) газовой смеси, находящейся в сосуде после разложения солей, если известно, что ее плотность по кислороду равна 1,08. Решение: 1) Рассчитываем количество вещества азота, находившегося в сосуде и среднюю мо- лярную массу образовавшейся газовой смеси: ν(N2) = V(N2) / 22,4 = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль. Мср. = DO2 · М(О2) = 1,08 · 32 = 34,56 г/моль. 2) Пусть в исходной смеси было х моль нитрата натрия и у моль карбоната кальция. Было: х 2 NaNO3 → 2 NaNO2 + O2 Образовалось: х 0,5х
17. 21 Было: у CaCO3 → CaO + CO2 Образовалось: у у m(NaNO3) = M(NaNO3) · ν(NaNO3) = 85x; m(CaCO3) = M(CaCO3) · ν(CaCO3) = 100y. 85x + 100y = 37. 3) ν(газов в образовавшейся смеси) = ν(N2) + ν(O2) + ν(CO2) = 0,25 + 0,5х + у. Мср. = / 34,56 = 0,25 + 0,5х + у; 28 · 0.25 + 32 · 0,5x + 44 · y = 34,56 · (0,25 + 0,5х + у); 8,64 + 17,28х + 34,56у = 7 + 16х + 44у; 1,28х – 9,44у = - 1,64 4) Составляем систему уравнений и решаем ее: 85x + 100y = 37 85x + 100y = 37 727у = 145,9 1,28х – 9,44у = - 1,64 · 85 / 1,28 85x - 627y = - 108,9 у = 0,2 х = (37 – 20) / 85 = 0,2. 5) Находим объемные доли газов в смеси и массы образовавшихся твердых продуктов: ν(газов в образовавшейся смеси) = 0,25 + 0,5х + у = 0,25 + 0,1 + 0,2 = 0,55 ϕ (N2) = χ(N2) = 0,25 / 0,55 = 0,4545 (45,45 %); ϕ(O2) = χ(O2) = 0,1 / 0,55 = 0,1818 (18,18 %); ϕ(CO2) = χ(CO2) = 0,2 / 0,55 = 0,3636 (36,36 %); m(NaNO2) = M(NaNO2) · x = 69 · 0,2 = 13,8 г; m(СаО) = M(СаО) · у = 56 · 0,2 = 11,2 г. Ответ: ϕ (N2) = 45,45 %; ϕ(O2) = 18,18 %; ϕ(CO2) = 36,36 %; m(NaNO2) = 13,8 г; m(СаО) = 11,2 г. Задачи для самостоятельного решения 33. 12,32 л смеси оксида азота (П) и оксида азота (IV) при н.у. имеют массу 19,855 г. Определите объемные доли газов в смеси. 34. К 20 л смеси метана и этилена добавили 10 л кислорода. Определите объемные доли веществ в полученной газовой смеси, если известно, что ее плотность по воздуху равна 0,8046. 35. Определите среднюю молярную массу газа, полученного в результате термического разложения нитрата серебра. 36. В результате термического разложения смеси нитратов серебра и меди образова- лась газовая смесь с плотностью по воздуху 1,4655. Определите массовые доли веществ в исходной смеси солей. 37. Газовая смесь, образовавшаяся при прокаливании смеси карбоната кальция и нит- рата меди, имеет плотность по водороду 21,647. Определите массовые доли ве- ществ в остатке после прокаливания.
18. 22 38. В результате термического разложения смеси нитратов калия и меди выделилось 8,4 л газа (н.у.). Определите массу исходной смеси солей, если известно, что в ней массовая доля азота как элемента составляла 14,302 %. 39. В результате термического разложения 45 г нитрата неизвестного металла образо- валось 20 г оксида металла (III), в котором массовая доля металла составляла 70 %, и газовая смесь с плотностью 1,984 г/л (н.у.). Определите формулу исходной соли и запишите уравнение реакции ее разложения. 40. В результате сжигания 9,76 г органического вещества в избытке кислорода образо- валось 10,08 г воды и 8,96 л (н.у.) смеси углекислого газа с азотом с плотностью по кислороду 1,275. Предложите структурную формулу сожженного вещества, если известно, что его молярная масса меньше 80 г/моль. 41. Соль органической кислоты сожгли в 9,8 л (н.у.) кислорода, при этом образовалось 7,29 г воды и 8,288 л (н.у.) смеси трех газов. После пропускания этой газовой смеси через избыток раствора щелочи ее объем уменьшился на 6,048 л, а оставшаяся азо- то-кислородная смесь имела плотность 1,3482 г/л. Определите формулу сожженного вещества. 42. Образец аминокислоты, входящей в состав белков массой 4,68 г сожгли в избытке кислорода. После приведения продуктов сгорания к н.у. выделилось 3,96 г воды и осталось 5,376 л газовой смеси, объем которой уменьшился в 6 раз после пропуска- ния через избыток раствора щелочи. Не поглощенная щелочью смесь газов имела плотность по водороду 15. Определите формулу сожженной аминокислоты. 1.2.4. Расчеты по уравнениям реакций с участием газов Пример 27. 2 л метиламина (CH3NH2) смешали с 6 л кислорода при нормальных усло- виях и подожгли. Определите плотность, и объем образовавшейся газовой смеси по- сле приведения ее к нормальным условиям. Решение: 4 CH3NH2 + 9 O2 → 4 CO2 + 2 N2 + 10 H2O ↓ + (O2) 1) Определяем, какое вещество было в избытке, и какое в недостатке. Для этого объе- мы исходных газов делим на коэффициенты в уравнении реакции, и полученные цифры сравниваем между собой: 2 / 4 = 0,5; 6 / 9 = 0,667; 0,667 > 0,5. Следовательно, кислород был в избытке, а ме- тиламин в недостатке. 2) Расчет ведем по веществу, бывшему в недостатке, т.е. по метиламину. Согласно уравнению реакции 4 объема метиламина реагируют с 9 объемами кислорода с об- Объемы газов, вступающих в химическую реакцию и образую- щихся в результате этой реакции, измеренные при одинаковых условиях, соотносятся как коэффициенты в уравнении реакции, например: 2 СН4 → С2Н2 + 3 Н2 V(СН4) : V(С2Н2) : V(Н2) = 2: 1: 3
19. 23 разованием 4 объемов оксида углерода (IV) и 2 объемов азота (вода при приведении к нормальным условиям конденсируется в жидкость). Таким образом, объем обра- зовавшегося СО2 равен объему сгоревшего метиламина (2 л), объем образовавшего- ся азота в два раза меньше (1 л), объем прореагировавшего кислорода в 4 / 9 раза больше объема метиламина (2,25 · 2 = 4,5 л). Кислорода осталось (6 – 4,5 = 1,5 л). Было: 2 6 4 CH3NH2 + 9 O2 → 4 CO2 + 2 N2 + 10 H2O ↓ + (O2) Прореагировало: 2 4,5 стало: 2 1 1,5 3) Конечная газовая смесь содержит 2 л СО2, 1 л N2 и 1,5 л О2. V(конечной газовой смеси) = V(CO2) + V(N2) + V(O2) = 2 + 1 + 1,5 = 4,5 л. 4) Определяем среднюю молярную массу, и плотность конечной газовой смеси: Мср. = ϕ(СО2) · М(СО2) + ϕ(N2) · M(N2) + ϕ(О2) · М(О2) = (2 / 4,5) · 44 + (1 / 4,5) · 28 + (1,5 / 4,5) · 32 = 36,44 г/моль. ρ = Мср. / 22,4 = 36,44 / 22,4 = 1,627 г/л. Ответ: V(конечной газовой смеси) = 4,5 л; ρ = 1,627 г/л. Пример 28. После пропускания оксида углерода (IV) над раскаленным углем образова- лась газовая смесь с плотностью по водороду 16. Определите выход оксида углерода (II) в этой реакции. Решение: СО2 + С → 2 СО 1) Определяем среднюю молярную массу образовавшегося газа, и объемные доли га- зов в конечной смеси: Мср. = 16 · 2 = 32 г/моль. ϕ(СО2) · 44 + ϕ(СО) · 28 = 32; ϕ(СО) = 1 - ϕ(СО2); ϕ(СО2) · 44 + 28 · (1 - ϕ(СО2) = 32; 16 · ϕ(СО2) = 4; ϕ(СО2) = 0,25; ϕ(СО) = 1 – 0,25 = 0,75. 2) Допустим, что образовался 1 л газовой смеси, тогда V(СО2) в ней = 0,25 л, а V(СО) = 0,75 л. Согласно коэффициентам в уравнении реакции объем прореагировавшего СО2 в 2 раза меньше объема образовавшегося СО: V(прореагировавшего СО2) = 0,75 / 2 = 0,375 л. Общий объем исходного СО2 = V(прореагировавшего СО2) + V(СО2 в конечной газовой смеси) = 0,375 + 0,25 = 0,625 л. Из 0,625 л СО2 теоретически может образоваться 0,625 · 2 = 1,25 л СО. Выход = V(СО практически полученный) / V(СО теоретически возможный) = 0,75 / 1,25 = 0,6 (60 %) Ответ: Выход СО составляет 60 %.
20. 24 Пример 29. Некоторое количество пропена смешали с избытком кислорода и подожг- ли. Объем полученной газовой смеси оказался на 2,5 л меньше объема исходной смеси пропена с кислородом (все объемы измерены при н.у.). Определите объемы сгоревшего пропена, прореагировавшего кислорода и образовавшегося оксида углерода (IV). Решение: 2 С3Н6 + 9 О2 → 6 СО2 + 6 Н2О ↓ 2х 9х 6х Согласно уравнению реакции 2 объема пропена реагируют с 9 объемами кислорода, образуя 6 объемов оксида углерода (IV). Общее изменение объема газовой смеси в ре- зультате реакции равно 5 объемов. ∆V = 2х + 9х – 6х = 5х; 5х = 2,5 л; х = 2,5 / 5 = 0,5 л. V(сгоревшего пропена) = 2х = 0,5 · 2 = 1 л; V(прореагировавшего кислорода) = 9х = 0,5 · 9 = 4,5 л; V(образовавшегося СО2) = 6х = 0,5 · 6 = 3 л. Ответ: V(сгоревшего пропена) = 1 л; V(прореагировавшего кислорода) = 4,5 л; V(образовавшегося СО2) =3л. Пример 30. В результате пропускания воздуха через озонатор его плотность увеличи- лась на 3 %. Определите объемную долю озона в озонированном воздухе. Решение: 3 О2 → 2 О3 3х 2х 1) ρ(озонированного воздуха) = ρ(исходного воздуха) + 0,03 · ρ(исходного воздуха) = 1,03 · ρ(исходного воздуха) ρ(озонированного воздуха) = m(газа) / V(озонированного воздуха); ρ(исходного воздуха) = m(газа) / V(исходного воздуха) m(газа) / V(озонированного воздуха) = 1,03 · m(газа) / V(исходного воздуха) Поскольку в результате реакции масса газа не изменяется, V(исходного воздуха) = 1,03 · V(озонированного воздуха). 2) Пусть объем озонированного воздуха равен 1 л, тогда объем исходного воздуха был 1,03 л, и изменение объема составило 0,03 л. ∆V = 3x – 2x = x; V(O3) = 2x = 2ּ ∆V = 0,03 · 2 = 0,06 л ϕ(О3) = V(O3) / V(озонированного воздуха) = 0,06 / 1 = 0,06 (6 %) Ответ: ϕ(О3) = 6 %.
21. 25 Задачи для самостоятельного решения 43. Смесь аммиака с кислородом с плотностью по водороду 13 пропустили над плати- но-родиевым катализатором. Определите состав полученной газовой смеси в % по объему после удаления паров воды, если считать, что каталитическое окисление аммиака протекает с выходом 100%. 44. После пропускания смеси 5 л азота с 7 л водорода над железным катализатором объем газовой смеси уменьшился на 2 л. Определите плотность конечной газовой смеси по водороду. Все объемы измерены при одинаковых условиях. 45. Смесь этиламина (С2Н5NH2) с избытком кислорода подожгли. После приведения к нормальным условиям объем газовой смеси уменьшился на 36 %. Определите объемные доли веществ в конечной газовой смеси. 46. Смесь кислорода с азотом пропустили через озонатор, при этом объем газовой смеси уменьшился на 10%, а ее плотность стала 1,508 г/л. Определите состав ис- ходной смеси азота с кислородом в % по объему. 47. После пропускания смеси этилена (СН2=СН2) и водорода над никелевым катализа- тором плотность газа возросла на 25%. Полученный газ не обесцвечивает бромную воду. Определите объемные доли веществ в конечной газовой смеси. 48. Смесь бутана с кислородом объемом 14 л (н.у.) подожгли. После приведения к нор- мальным условиям объем газовой смеси стал 8,75 л. Определите составы исходной и конечной газовых смесей в % по объему, если известно, что кислород был в из- бытке. 49. После сжигания смеси этиламина с избытком кислорода и приведения к нормаль- ным условиям масса газов уменьшилась на 2,52 г, а объем их стал 3,36 л. Определи- те объемные составы (в литрах) исходной и конечной газовых смесей. 50. Смесь азота с кислородом объемом 15,68 л и с плотностью 1,378 г/л (н.у.) пропус- тили через озонатор. Рассчитайте состав газовой смеси после озонатора в % по объ- ему, если известно, что ее плотность по водороду равнялась 16. 51. 100 мл смеси азота, метана и метиламина при нормальных условиях смешали с 300 мл кислорода и подожгли. После приведения к н.у. объем газовой смеси составил 227,5 мл, а после ее пропускания через избыток раствора щелочи он уменьшился до 142,5 мл. Определите объемные доли газов в исходной смеси. 52. 11,2 л (н.у.) метана нагрели до высокой температуры. При этом часть метана разло- жилась, в результате чего образовалась газовая смесь объемом 20,16 л и плотностью 0,2778 г/л (н.у.). После пропускания над никелевым катализатором ее объем умень- шился на 22,22 %. Определите объемные доли газов в конечной газовой смеси, ес- ли известно, что она не обесцвечивает бромную воду. 1.3. Растворы 1.3.1. Массовая доля растворенного вещества (ω), молярная концентрация раство- ра (С) m(растворенного вещества) ω = ; ω % = ω · 100 m(раствора) ν(растворенного вещества) 1000 · ρ · ω С = [моль/л]; C = V(раствора) M
22. 26 Пример 31. Определите молярную концентрацию и массовую долю хлорида натрия в растворе, полученном растворением 14,63 г сухой соли в 100 мл воды (плотность рас- твора 1,146 г/мл). Решение: 1) Находим массу раствора: m(раствора) = m(растворенного вещества) + m(растворителя); m(Н2О) = V · ρ = 100 · 1 = 100 г m(раствора) = m(NaCl) + m(H2O) = 14,63 + 100 = 114,63 г 2) ω(NaCl) = m(NaCl) / m(раствора) = 14,63 / 114,63 = 0,1276 (12,76 %) 3) Находим объем раствора, и количество вещества соли: V(раствора) = m(раствора) / ρ(раствора) = 114,63 / 1,146 = 100 мл = 0,1 л. ν(NaCl) = m(NaCl) / M(NaCl) = 14,63 / 58,5 = 0,25 моль. 4) С(NaCl) = ν(NaCl) / V(раствора) = 0,25 / 0,1 = 2,5 моль/л. Ответ: ω(NaCl) = 12,76 %; С(NaCl) = 2,5 моль/л. Пример 32. Какие массы хлорида калия и воды надо взять для приготовления 80 г рас- твора с массовой долей соли 0,2? Решение: 1) m(KCl) = m(раствора) · ω(KCl) = 80 · 0,2 = 16 г. 2) m(H2O) = m(раствора) - m(KCl) = 80 – 16 = 64 г. Ответ: m(KCl) = 16 г; m(H2O) = 64 г. Пример 33. Какую массу медного купороса можно получить упариванием 300 мл рас- твора сульфата меди с массовой долей сульфата меди 15% и плотностью 1,15 г/мл? Решение: 1) Находим массу раствора: m(раствора) = V(раствора) · ρ(раствора) = 300 · 1,15 = 345 г. 2) Находим массу растворенного сульфата меди: m(CuSO4) = m(раствора) · ω(CuSO4) = 345 · 0,15 = 51,75 г. 3) Находим количество вещества сульфата меди: ν(CuSO4) = m(CuSO4) / М(CuSO4) = 51,75 / 160 = 0,3234 моль.
23. 27 В одном моле медного купороса (СuSO4 · 5 H2O) содержится 1 моль сульфата меди, поэтому ν(СuSO4 · 5 H2O) = ν(CuSO4) = 0,3234 моль. 4) Находим массу медного купороса: m(СuSO4 · 5 H2O) = ν(СuSO4 · 5 H2O) · M(СuSO4 · 5 H2O) = 0,3234 · 250 = 80,85 г. Ответ: m(СuSO4 · 5 H2O) = 80,85 г. Пример 34. Какие объемы воды и раствора серной кислоты с массовой долей кислоты 90% и плотностью 1,7 г/мл необходимо взять для приготовления 120 мл раствора с массовой долей кислоты 40% и плотностью 1,35 г/мл? Решение: 1) Находим массу конечного раствора: m(конечного раствора) = V(конечного раствора) · ρ(конечного раствора) = 120 · 1,35 = 162 г. 2) Находим массу серной кислоты в конечном растворе: m(H2SO4) = ω(H2SO4 в конечном растворе) · m(конечного раствора) = 0,4 · 162 = 64,8 г. 3) Находим массу и объем исходного раствора, учитывая, что масса H2SO4 в конечном и исходном растворах равны, поскольку к исходному раствору добавляли только воду: m(исходного раствора) = m(H2SO4) / ω(H2SO4 в исходном растворе) = 64,8 / 0,9 = 72 г. V(исходного раствора) = m(исходного раствора) / ρ(исходного раствора) = 72 / 1,7 = 42,35 мл. 4) Находим массу воды: m(воды) = m(конечного раствора) - m(исходного раствора) = 162 – 72 = 90 г. Плотность воды 1 г/мл, поэтому V(Н2О) = 90 мл. Ответ: V(исходного раствора) = 42,35 мл; V(Н2О) = 90 мл. Пример 35. Какой объем раствора хлорида натрия с массовой долей соли 20% и плот- ностью 1,15 г/мл надо прилить к 200 г воды, чтобы получить раствор с массовой долей соли 0,07? Решение:
24. 28 1) Обозначим массу исходного раствора за х, тогда масса хлорида натрия в нем будет равна: m(NaCl) = m(исходного раствора) · ω(NaCl) = 0,2х. 2) Выражаем массу конечного раствора: m(конечного раствора) = m(исходного раствора) + m(H2O) = х + 200. 3) Составляем уравнение и находим х: m(NaCl) = m(конечного раствора) · ω(NaCl в конечном растворе); 0,2х = 0,07 · (х + 200); 0,2х = 0,07х + 14; 0,13х = 14; х = 107,7 г. 4) Находим объем исходного раствора: V(исходного раствора NaCl) = m(исходного раствора) / ρ(исходного раствора) = 107,7 / 1,15 = 93,7 мл. Ответ: V(исходного раствора NaCl) = 93,7 мл. Пример 36. Какие массы растворов с массовыми долями гидроксида натрия 0,4 и 0,15 необходимо смешать для получения 500 г раствора с массовой долей гидроксида на- трия 30%? Решение: 1) Обозначим массу первого исходного раствора за х, тогда масса гидроксида натрия в нем составит: m(NaOH в первом исходном растворе) = m(раствора) · ω(NaOH) = 0,4х. 2) Обозначим массу второго исходного раствора за у, тогда масса гидроксида натрия в нем составит: m(NaOH во втором исходном растворе) = m(раствора) · ω(NaOH) = 0,15у. 3) Найдем массу гидроксида натрия в конечном растворе: 4) m(NaOH в конечном растворе) = m(раствора) · ω(NaOH) = 500 · 0,3 = 150 г. 5) Масса конечного раствора равна сумме масс исходных растворов: х + у = 500 6) Масса гидроксида натрия в конечном растворе равна сумме масс гидроксида натрия в двух исходных растворах: 0,4х + 0,15у = 150
25. 29 7) Составляем систему уравнений и решаем ее: х + у = 500 х + у = 500 0,625у = 125 х = 300 0,4х + 0,15у = 150 · 2,5 х + 0,375у = 375 у = 200 Ответ: Масса первого исходного раствора = 300 г; масса второго исходного раствора = 200 г Пример 37. Определите массовую долю серной кислоты в растворе, полученном рас- творением 20 г 10%-ного олеума в 40г 20%-ной серной кислоты. Решение: Олеум – это раствор оксида серы (VI) в чистой серной кислоте. При растворении олеума в водном растворе серной кислоты происходит следующая реакция: SO3 + H2O → H2SO4 1) Определяем состав олеума и количество вещества оксида серы (VI) в нем: m(SO3) = m(олеума)ּ ω(SO3) = 20 ּ 0,1 = 2 г; m(H2SO4 в олеуме) = 20 – 2 = 18 г; ν(SO3) = m(SO3) / М(SO3) = 2 / 80 = 0,025 моль. 2) Определяем массу серной кислоты, образовавшейся из SO3: Согласно уравнению реакции ν(образовавшейся H2SO4) = ν(SO3) = 0,025 моль m(образовавшейся H2SO4) = ν(образовавшейся H2SO4) · М(H2SO4) = 0,025 · 98 = 2,45 г 3) Определяем массу серной кислоты в исходном растворе: m(H2SO4 в исходном растворе) = m(исходного раствора) · ω(H2SO4 в исходном рас- творе) = 40 · 0,2 = 8 г. 4) Определяем общую массу серной кислоты в конечном растворе: m(H2SO4 в конечном растворе) = m(H2SO4 в олеуме) + m(образовавшейся H2SO4) + m(H2SO4 в исходном растворе) = 18 + 2,45 + 8 = 28,45 г. 5) Определяем массу конечного раствора и массовую долю серной кислоты в конечном растворе: m(конечного раствора) = m(олеума) + m(исходного раствора) = 20 + 40 = 60 г. ω(H2SO4 в конечном растворе) = m(H2SO4 в конечном растворе) / m(конечного рас- твора) = 28,45 / 60 = 0,474 (47,4 %) Ответ: ω(H2SO4 в полученном растворе) = 47,4 %.
26. 30 Задачи для самостоятельного решения 53. Определите молярную концентрацию сульфата натрия в растворе с массовой до- лей соли 8% и плотностью 1,09 г/мл. 54. Какие массы воды и медного купороса необходимо взять для приготовления 2 л раствора с молярной концентрацией сульфата меди 0,9 моль/л и плотностью 1,1 г/мл? 55. Сколько мл раствора сульфата меди с массовой долей соли 5% и плотностью 1,05 г/мл надо взять для растворения 75 г медного купороса, чтобы получить раствор с массовой долей сульфата меди 0,2? 56. Какие массы кристаллической соды (Na2CO3·10H2O) и 5%-ного раствора карбоната натрия надо взять для приготовления 500 мл раствора с массовой долей карбоната натрия 12% и плотностью 1,125 г/мл? 57. Какие объемы растворов серной кислоты с массовыми долями кислоты 20 и 50 % и плотностями 1,14 и 1,39 г/мл соответственно надо смешать, чтобы получить 1 л рас- твора серной кислоты с плотностью 1,219 г/мл, 10 г которого может поглотить 1,344 л аммиака. 58. Какие объемы растворов гидроксида калия с массовыми долями щелочи 15 и 45 % и плотностями 1,14 и 1,46 г/мл соответственно надо смешать, чтобы получить 100 г раствора гидроксида калия с плотностью 1,2 г/мл, 10 мл которого могут макси- мально поглотить 1,344 л оксида углерода (IV). 59. Какой объем раствора азотной кислоты с массовой долей кислоты 55% и плотно- стью 1,34 г/мл можно получить из 1 м3 (н.у.) аммиака, если выход при каталитиче- ском окислении аммиака составляет 98%, а выход кислоты в поглотительных ко- лоннах - 94%? 60. Какую массу фосфорного ангидрида (оксида фосфора (V)) надо растворить в 300 г 20%-ной фосфорной кислоты, чтобы получить раствор с массовой долей фосфор- ной кислоты 50 %. 61. Какой объем оксида серы (IV) надо затратить, чтобы получить олеум с массовой долей оксида серы (VI) 20 % из 39,28 мл раствора серной кислоты с массовой долей кислоты 95 % и плотностью 1,833 г/мл, если известно, что превращение оксида се- ры (IV) в оксид серы (VI) происходит с выходом 75 %. 62. Какую массу оксида фосфора (V) надо растворить в 1 л раствора фосфорной кисло- ты с плотностью 1,2 г/мл, чтобы ее массовая доля удвоилась, если известно, что для полной нейтрализации 10 г полученного раствора потребовалось 35 мл раствора гидроксида калия с массовой долей щелочи 20 % и плотностью 1,2 г/мл. 63. К 39 мл раствора хлорида бария с массовой долей соли 20 % и плотностью 1,2 г/мл добавили 58,66 г раствора фосфата натрия с концентрацией 0,75 моль/л и плотно- стью 1,1 г/мл. Определите массу выпавшего осадка и массовые доли веществ в по- лученном растворе. 64. К 108 мл раствора нитрата цинка с массовой долей соли 12 % и плотностью 1,05 г/мл добавили 72 г раствора фосфата аммония с концентрацией 0,9 моль/л и плотно- стью 1,08 г/мл. Определите массу выпавшего осадка и массовые доли веществ в по- лученном растворе. 65. К 95,36 мл раствора хлорида алюминия с массовой долей соли 15 % и плотностью 1,12 г/мл добавили 192 г раствора гидроксида натрия с концентрацией 2,5 моль/л и
27. 31 плотностью 1,2 г/мл. Определите массу выпавшего осадка и массовые доли веществ в полученном растворе. 66. К 28,08 мл раствора нитрата ртути с массовой долей соли 25 % и плотностью 1,25 г/мл добавили 19,67 г раствора фосфата калия с концентрацией 1,2 моль/л и плотно- стью 1,18 г/мл. Определите массу выпавшего осадка и массовые доли веществ в по- лученном растворе. 67. К 250 мл раствора сульфата хрома (III) с массовой долей соли 14 % и плотностью 1,12 г/мл добавили 222 г раствора силиката натрия с концентрацией 0,75 моль/л и плотностью 1,11 г/мл. Определите массу выпавшего осадка и массовые доли ве- ществ в полученном растворе. 68. 23,2 г неизвестной неорганической соли при нагревании полностью разложились без твердого остатка. Образовавшуюся смесь двух газов с парами воды пропустили через 52,44 мл раствора соляной кислоты с массовой долей кислоты 30 % и плотно- стью 1,16 г/мл, после чего осталось 4,48 л (н.у.) газообразного оксида элемента (IV) с плотностью по аргону 1,6, а массовая доля кислоты в растворе уменьшилась до 5,124 %. Определите формулу исходной соли. 69. В результате растворения 9,84 г неизвестной соли, состоящей из трех элементов, в 50,89 мл соляной кислоты с массовой долей хлороводорода 36,5 % и плотностью 1,179 г/мл образовался раствор, содержащий только хлорид натрия с массовой до- лей 10,05 %, хлорид металла (III), в котором массовая доля металла составляет 20,22 % и хлороводород с массовой долей 6,27 %. Определите простейшую формулу ис- ходной соли. 70. Смесь веществ, образовавшуюся после сжигания образца гомолога фенола в 1,792 л (н.у.) кислорода, пропустили через 100 мл раствора гидроксида бария с плотностью 1,05 г/мл и молярной концентрацией щелочи 0,6 моль/л, в результате чего из рас- твора выпало 8,274 г осадка и масса раствора стала равной 99,006 г. Объем не по- глощенного щелочью газа составил 649,6 мл (н.у.). Определите возможные струк- турные формулы сожженного вещества. 1.3.2. Растворимость (s) и коэффициент растворимости (S) Растворимость (s) показывает, сколько грамм вещества максимально мож- но растворить в 100 г растворителя. Коэффициент растворимости (S) пока- зывает, сколько грамм вещества можно растворить в 1 л растворителя: m(растворенного вещества в насыщенном растворе) S = [г/л] V(растворителя) Для водных растворов V(растворителя) = m(Н2О) в кг: Для двухкомпонентного раствора (одно растворенное вещество + вода) ω(вещества в насыщенном растворе) = S / (1000 + S)
28. 32 Пример 38. Коэффициент растворимости хлорида аммония в воде при 15о С равен 350 г/л. Определите массовую долю и молярную концентрацию хлорида аммония в насы- щенном растворе, если его плотность равна 1,08 г/мл. Решение: 1) ω(NH4Cl) = S / (1000 + S) = 350 / (1000 + 350) = 350 / 1350 = 0,259 (25,9 %) 2) Пусть масса растворенного вещества 350 г, тогда: m(раствора) = m(растворенного вещества) + m(растворителя) = 350 + 1000 = 1350 г. V(раствора) = m(раствора) / ρ(раствора) = 1350 / 1,08 = 1250 мл = 1,25 л. ν(NH4Cl) = m(NH4Cl) / M(NH4Cl) = 350 / 53,5 = 6,54 моль. С(NH4Cl) = ν(NH4Cl) / V(раствора) = 6,54 / 1,25 = 5,23 моль/л Ответ: ω(NH4Cl) = 25,9 %; С(NH4Cl) = 5,23 моль/л. Пример 39. Определите коэффициент растворимости медного купороса, если извест- но, что массовая доля сульфата меди в насыщенном растворе при данной температуре равна 17,2%. Решение: 1) Пусть имеется 100 г насыщенного раствора. Определяем массу сульфата меди в этом растворе: m(CuSO4) = m(раствора) · ω(CuSO4) = 100 · 0,172 = 17,2 г. 2) Определяем массу медного купороса, соответствующую 17,2 г сульфата меди: m(CuSO4.5Н2О) = · М(CuSO4.5Н2О) = (17,2 / 160) · 250 = 26,9 г. 3) Определяем объем воды, который надо добавить к 26,9 г медного купороса, чтобы получить 100 г насыщенного раствора: m(Н2О) = m(раствора) – m(CuSO4·5Н2О) = 100 – 26,9 = 73,1 г. V(Н2О) = 73,1 мл = 0,0731 л. 4) Рассчитываем коэффициент растворимости: S = m(CuSO4·5Н2О) / V(Н2О) = 26,9 / 0,0731 = 368 г/л. Ответ: S(CuSO4·5Н2О) = 368 г/л. Пример 40. Определите массу осадка хлората калия(KClO3),выпавшего из раствора, полученного смешиванием 100 г раствора хлората натрия (массовая доля соли 31,95 %) и 100 г раствора хлорида калия (массовая доля соли 22,35 %),если известно, что
29. 33 коэффициент растворимости хлората калия в данных условиях равен 73 г на литр во- ды. Решение: 1) Запишем уравнение реакции: NaClO3 + KCl → KClO3 ↓ + NaCl 2) Определим массы и количества веществ в исходных растворах: m(NaClO3) = 100 · 0,3195 = 31,95 г. ν(NaClO3) = 31,95 / 106,5 = 0,3 моль. m(КCl) = 100 · 0,2235 = 22,35 г. ν(КCl) = 22,35 / 74,5 = 0,3 моль. 3) Определяем массу воды в исходных и конечном растворах: m(Н2О в растворе NaClO3) = 100 – 31,95 = 68,05 г. m(Н2О в растворе KCl) = 100 – 22,35 = 77,65 г. m(Н2О в конечном растворе) = 68,05 + 77,65 = 145,7 г 4) Определяем, какая масса KClO3 останется в конечном растворе, составляя следую- щую пропорцию: 73 г KClO3 растворяется в 1000 г Н2О х = 145,7 · 73 / 1000 = 10,64 г. х - 145,7 5) Рассчитываем массу осадка: Всего согласно уравнению реакции может образоваться 0,3 моль KClO3, что соот- ветствует массе = 0,3 · 122,5 = 36,75 г. m(осадка) = 36,75 – 10,64 = 26,11 г. Ответ: m(осадка) = 26,11 г. Пример 41. Растворимость соли при 60о С - 40 г в 100 г воды, а при 20о С - 12 г в 100 г воды. Определите массу соли, выпадающей при охлаждении 300 г раствора, на- сыщенного при 60о С, до 20о С. Решение: 1) Определяем массу воды в 300 г раствора, насыщенного при 60 о С, составляя про- порцию: 100 г Н2О содержится в 100 + 40 = 140 г раствора х - 300 х = 100 · 300 / 140 = 214,3 г. 2) Определяем массу раствора, насыщенного при 20 о С, и содержащего 214,3 г воды:
30. 34 100 г Н2О содержится в 100 + 12 = 112 г раствора 214,3 - у у = 214,3 · 112 / 100 = 240 г. 3) Определяем массу осадка: m(осадка) = m(раствора, насыщенного при 60 о С) – m(раствора, насыщенного при 20 о С) = 300 – 240 = 60 г Ответ: m(осадка) = 60 г. Задачи для самостоятельного решения 71. Насыщенный раствор гидрокарбоната натрия имеет молярную концентрацию соли 1,12 моль/л и плотность 1,07 г/мл. Определите коэффициент растворимости гидро- карбоната натрия в этих условиях и его массовую долю в насыщенном растворе. 72. Определите, сколько медного купороса выпало при охлаждении до 0о С 34 мл рас- твора с массовой долей сульфата меди 30% и плотностью 1,3 г/мл, если известно, что коэффициент растворимости медного купороса при 0о С равен 150 г/л. Какова массовая доля сульфата меди в оставшемся растворе? 73. Определите массу и состав осадка, выпавшего после смешивания 120г раствора хлорида бария с массовой долей соли 26% и 150 г раствора нитрата натрия с мас- совой долей соли 50 %, если известно, что в данных условиях коэффициенты растворимости хлорида натрия и нитрата бария равны 330 и 90,45 г/л(Н2О) соот- ветственно. 74. Какой объем раствора с массовой долей сульфата железа (II) 10% и плотностью 1,1 г/мл надо взять для растворения 55,6 г железного купороса (FeSO4.7H2O) , чтобы получить насыщенный при 20о С раствор сульфата железа (II). Коэффициент рас- творимости железного купороса при этой температуре равен 266 г/л. 75. Растворимость моногидрата карбоната натрия при 50 о С составляет 47 г на 100 г воды, а кристаллической соды (декагидрата карбоната натрия) при 0 о С 6,7 г на 100 г воды. Рассчитайте массу кристаллической соды, которая выделится из 1 л раство- ра карбоната натрия с плотностью 1,2 г/мл, насыщенного при 50 0 С, после его ох- лаждения до 0 о С. 1.3.3. Электролитическая диссоциация, степень диссоциации (α) Пример 42. Определите молярные концентрации ионов в растворе сульфата алюминия с массовой долей соли 0,2 и плотностью 1,23 г/мл. N(молекул, распавшихся на ионы) ν(вещества, распавшегося на ионы) α = = N(исходных молекул) ν(исходного вещества) α % = α · 100
31. 35 Решение: 1) Сульфат алюминия, как и подавляющее большинство солей, является сильным элек- тролитом и диссоциирует в водном растворе полностью: Al2(SO4)3 → 2 Al 3+ + 3 SO4 2- 2) Пусть имеется 100 г раствора, тогда m(Al2(SO4)3) = 100 · 0,2 = 20 г, а V(раствора) = 100 / 1,23 = 81,3 мл = 0,0813 л. ν = 20 / 342 = 0,0585 моль. Согласно уравнению диссоциации ν(Al 3+) = ν · 2 = 0,0585 · 2 = 0,117 моль и ν(SO4 2-) = ν · 3 = 0,0585 · 3 = 0,1755 моль. 3) Вычисляем концентрации ионов в растворе: С(Al 3+) = ν(Al 3+) / V(раствора) = 0,117 / 0,0813 = 1,44 моль/л. С(SO4 2-) = ν(SO4 2-) / V(раствора) = 0,1755 / 0,0813 = 2,16 моль /л. Ответ: С(Al 3+) = 1,44 моль/л; С(SO4 2-) = 2,16 моль /л. Пример 43. Определите степень диссоциации муравьиной кислоты в ее 0,46 %-ном (по массе) водном растворе (плотность раствора 1г/мл), если суммарная концентрация всех частиц, образованных муравьиной кислотой (молекул и ионов) в растворе равна 0,11 моль/л. Решение: 1) Пусть имеется 1 л раствора. Вычисляем количество вещества муравьиной кислоты и суммарное количество вещества всех частиц в растворе: ν(частиц) = С(частиц) · V(раствора) = 0,11 · 1 = 0,11 моль. m(раствора) = V(раствора) · ρ(раствора) = 1000 г. m(НСООН) = m(раствора) · ω(НСООН) = 1000 · 0,0046 = 4,6 г. ν(НСООН) = m(НСООН) / М(НСООН) = 4,6 / 46 = 0,1 моль. 2) Пусть продиссоциировало х моль НСООН, тогда непродиссоциировавшими оста- лось 0,1 – х моль кислоты и образовалось х моль ионов НСОО - и х моль ионов Н + : Было: 0,1 НСООН → НСОО - + Н + + (НСООН) Продиссоциировало: х стало х х 0,1 – х Общее количество вещества частиц в растворе = х + х + 0,1 – х = 0,1 + х 0,1 + х = 0,11; х = 0,11 – 0,1 = 0,01.
32. 36 3) Определяем степень диссоциации: α = ν(продиссоциировавших молекул) / ν(исходных молекул) = х / 0,1 = 0,01 / 0,1 = 0,1 (10 %) Ответ: α(НСООН) = 10 % Пример 44. При н.у. в 1 л воды растворяется 1700 мл оксида углерода (IV). Рассчитай- те концентрацию ионов водорода в образующемся растворе, если известно, что в угольную кислоту превращается только 6,8 % растворенного вещества, а степень дис- социации угольной кислоты по первой ступени в этих условиях равна 0,08 %. Диссо- циацией воды, диссоциацией угольной кислоты по второй ступени и изменением объ- ема раствора при растворении пренебречь. Решение: 1) Определяем количество вещества СО2, которое может раствориться в 1 литре воды: ν(СО2) = V(СО2) / 22,4 = 1,7 / 22,4 = 0,0759 моль. 2) Записываем уравнение реакции и определяем количество вещества образовавшейся угольной кислоты: СО2 + Н2О → Н2СО3 ν(Н2СО3) = ν(СО2) · η = 0,0759 · 0,068 = 0,00516 моль 3) Записываем уравнение диссоциации угольной кислоты по первой ступени и рассчи- тываем концентрацию ионов водорода в растворе: Н2СО3 ⇄ НСО3 - + Н + α = ν(Н +) / ν(Н2СО3); ν(Н +) = α · ν(Н2СО3) = 0,0008 · 0,00516 = 0,00000413 = 4,13 · 10-6 моль. С(Н +) = ν(Н +) / V(раствора) = 4,13 · 10-6 / 1 = 4,13 · 10-6 моль/л. Ответ: С(Н +) = 4,13 · 10-6 моль/л. Задачи для самостоятельного решения 76. В каком соотношении по массе необходимо смешать раствор сульфата натрия с массовой долей соли 2% и раствор хлорида калия с массовой долей соли 3%, чтобы в образовавшемся растворе концентрация ионов натрия была в четыре раза больше концентрации ионов калия? 77. В результате сливания равных объемов насыщенных растворов хлорида бария (плотность 1,25 г/мл) и нитрата натрия (плотность 1.3 г/мл) выпал осадок и остался раствор с плотностью 1.2 г/мл. Определите молярные концентрации ионов, присут- ствующих в оставшемся растворе, если известно, что растворимости хлорида бария,
33. 37 нитрата натрия, нитрата бария и хлорида натрия в данных условиях составляют 25, 82, 9,05 и 33 г на 100 г воды соответственно. 78. Массовая доля карбоната натрия в насыщенном при 20 о С растворе равна 0,18. Оп- ределите коэффициент растворимости кристаллической соды в воде при этой тем- пературе и молярную концентрацию ионов натрия в насыщенном растворе, если его плотность равна 1,15 г/мл. 79. Определите суммарную концентрацию и число частиц (молекул и ионов), обра- зующихся при растворении 1,2 г уксусной кислоты в 500 мл воды, если известно, что степень диссоциации уксусной кислоты в данных условиях составляет 2 %. Из- менением объема пренебречь. 80. Рассчитайте растворимость оксида серы (IV) в воде (в литрах газа на литр воды), если известно, что в сернистую кислоту переходит 38,8 % растворенного газа, сте- пень диссоциации кислоты по первой ступени равна 8,6 % (диссоциацией по второй ступени пренебречь), а концентрация ионов водорода в насыщенном растворе со- ставляет 0,061 моль/л. Плотность раствора 1,1 г/мл. 81. Продукт реакции фосфора с серой, в котором фосфор проявляет свою высшую по- ложительную степень окисления, поместили в воду. После длительного кипячения до прекращения выделения газа с неприятным запахом получили раствор, содер- жащий 0,004 моль ионов водорода. Рассчитайте степень диссоциации фосфорной кислоты по первой ступени (диссоциацией по второй и третьей ступеням пренеб- речь), если известно, что при пропускании выделившегося при кипячении газа в из- быток раствора нитрата меди выпало 9,6 г черного осадка.

Как определить массовые доли компонентов смеси, состоящей из железа, сахара, серы и речного песка. Опишите последовательность действий.
Известняк - минерал, основным компонентом которого является карбонат кальция (СаСО 3). Прокаливание (длительное нагревание) известняка приводит к разложению его на оксид кальция (негашёная известь) и оксид углерода(IV) (углекислый газ). При прокаливании двух образцов известняка массой 10 г в одном случае выделилось 2,24 л газа, в другом - 2 л. (объёмы измерены при н.у.). Противоречит ли этот факт закону сохранения массы веществ? Ответ поясните следующим образом:
1. запишите уравнение реакции;
2. объясните причину расхождения результатов, произведя необходимые вычисления.
Белый фосфор - воскообразное, светящееся в темноте, чрезвычайно ядовитое вещество. Одинаковые объёмы водорода и паров белого фосфора при нормальном давлении и 300°С весят соответственно 12,4 г и 0.2 г. Установите состав молекулы белого фосфора? Ответ поясните, ход рассуждений запишите подробно.
В начале XIX века при проверке интендантского склада, где хранились солдатские оловянные пуговицы, выяснилось, что они исчезли. В ящиках, где хранились пуговицы, был обнаружен серый порошок. Взвешивание содержимого ящиков показало, что порошок весит столько же, сколько весили пуговицы. При выяснении обстоятельств и обследовании места происшествия оказалось, что склад был под замком в течение долгой холодной зимы, не отапливался и туда никто не заходил. Найдите объяснение данному «преступлению». К физическим или химическим относится данное явление? Ответ обоснуйте.
Восстановите пропуски в уравнениях реакций
1. 4P + … → 2P 2 O 5
2. 2H 2 S + 3… → 2H 2 O + 2SO 2
3. C 2 H 2 + 5O 2 → 4 …+ 2H 2 O
4. …+3O 2 → CO 2 + 2SO 2
5. 4 … + 13O 2 → 4CuO + 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

РЕШЕНИЯ

Элемент решения
1. Смесь взвешиваем.
2. Магнитом выделяем железо и взвешиваем.
3. Оставшуюся смесь серы, соли и песка помещаем в воду.
4. Серу отделяем флотацией и взвешиваем.
5. Речной песок отфильтровываем и взвешиваем после высыхания.
6. Выпариваем оставшийся раствор и получаем соль, которую тоже взвешиваем.
7. Находим массовые доли компонентов, разделив массы каждого компонента на массу всей смеси.
Элемент решения
1. Составляение уравнения реакции
  СаСО 3 = СаО + СО 2
2. Нахождение количества углекислого газа в двух случаях
  ν 1 (СО 2)= 2,24 л: 22,4 л/моль = 0,1 моль
  ν 2 (СО 2)= 2, л: 22,4 л/моль = 0,09 моль
3. Нахождение количественных соотношений участников реакции в двух случаях
  ν 1 (СаСО 3) = ν1 (СаО) = ν 1 (СО 2) = 0,1 моль
  ν 2 (СаСО 3) = ν2 (СаО) = ν 2 (СО 2) = 0,09 моль
4. Нахождение массы карбоната кальция в двух случаях
  m 1 (СаСО 3) = 0,1 моль x 100 г/моль = 10 г
  m 2 (СаСО 3) = 0,09 моль x 100 г/моль = 9 г
5. Нахождение массы углекислого газа в двух случаях
  m 2 (СО 2) = 0,1 моль x 44 г/моль = 4,4 г
  m 2 (СО 2) = 0,09 моль x 44 г/моль = 3,96 г
6. Нахождение массы оксида кальция в двух случаях
  m 1 (СаО) = 0,1 моль x 56 г/моль = 5,6 г
  m 2 (СаО) = 0,09 моль x 56 г/моль = 5,04 г
7. Подтверждение действия закона сохранения массы в двух случаях
  m (СаСО 3)= m (СО 2)+ m (СаО)
  10 г = 4,4 г + 5,6 г 10=10
  9 г = 3,96 г + 5,04 г 9=9
8. Объяснения причины расхождения результатов
  Вероятно, второй образец содержит 1 г примесей, которые не разлагаются или при разложении не дают газообразных продуктов.
Элемент решения
1. По закону Авогадро, равные объёмы разных газов при одинаковых условиях содержат одинаковое количество молекул. Значит, в одинаковых по объёму сосудах содержится одинаковое число молекул.
2. 12,4: 0.2 = 62 во столько раз молекулы белого фосфора тяжелее молекул водорода (в одинаковом объёме). Во столько же раз одна молекула фосфора тяжелее одной молекулы водорода.
3. Так как молекула водорода состоит из двух атомов, то молекула белого фосфора в 124 раза тяжелее атома водорода.
4. Так как масса атома водорода равна массе эталона (1/12 части массы атома углерода), то относительная молекулярная масса белого фосфора равна 124.
5. Число атомов фосфора в молекуле белого фосфора равно
  Mr(белого фосфора) : Ar(P) = 124: 31 = 4
  Ответ: Р 4
Элемент решения
1. При низкой температуре одна аллотропная модификация олова (белое) перешла в другую (серое олово).
2. Речь идёт о химическом явлении, так как образовалось новое вещество, обладающее отличными от исходного свойствами.
Элемент решения
1. 4P + 5О 2 → 2P 2 O 5
2. 2H 2 S + 3О 2 → 2H 2 O + 2 SO 2
3. 2C 2 H 2 + 5О 2 → 4CO 2 + 2 H 2 O
4. СS 2 + 3O 2 → CO 2 + 2SO 2
5. 4CuFeS 2 + 13O 2 → 4CuO + 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

Масса молекулы белого фосфора составляет 2 06

Урок 14. Получение, химические свойства и применение бензола

Урок 14.
Получение, химические свойства
и применение бензола