Установление состава химических соединений

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - филиал
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ»
УСТАНОВЛЕНИЕ СОСТАВА ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
И ИХ ФОРМУЛ
Руководство к лабораторной работе
Северск - 2011
1
Содержание
1 Теоретическая часть………………………………………………..
3
1.1 Законы постоянства состава и кратных отношений……………
3
1.2 Примеры установления простейшей и истинной формул……..
4
1.2.1 Определение простейшей формулы соединения…………
4
1.2.2 Определение молекулярной массы по уравнению
Менделеева–Клапейрона…………………………………………
4
1.2.3 Определение молекулярной массы по относительной
2
плотности газов ……………………………………………………...
5
1.2.4 Определение молекулярной массы опытным методом….
6
2 Экспериментальная часть………………………………………….
6
3 Математическая обработка результатов эксперимента………….
8
Безопасность труда…………………………………………………….
9
1 Теоретическая часть
1.1 Законы постоянства состава и кратных отношений
Для установления формулы любого химического соединения необходимо
знать его качественный и количественный состав. Формула химического соединения
показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого
элемента входит в состав его молекулы.
Согласно закону постоянства состава: каждое чистое химическое соединение
имеет постоянный качественный и количественный состав. Это обусловлено тем,
что массовый состав молекул данного соединения постоянен и выражается определенным массовым соотношением элементов.
Массовые соотношения элементов в молекулах можно представить как отношение произведений соответствующих атомных масс на число атомов каждого из
элементов в молекуле. Поэтому можно записать:
m1: m2: m3 = xAr1: yAr2: zAr3,
где m1, m2, m3 – содержания элементов в данном соединении, г или % (доли);
x, y, z – число атомов соответствующих элементов в молекуле;
Ar1 , Ar2 , Ar3 – атомные массы элементов.
Из уравнения следует, что:
m1 m 2 m 3
:
:
.
(1)
А1 А 2 А 3
Входящие в уравнение частные от деления процентного содержания (количества грамм) на атомную массу называются атомными факторами. Таким образом,
отношение количеств атомов в молекуле равно отношению атомных факторов. Отсюда находят отношения между числами атомов в молекуле.
Уравнение (1) является математическим выражением закона кратных отношений: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого,
относятся между собой как небольшие целые числа.
При этом для закона кратных отношений существует три исключения:
- закон справедлив для веществ, находящихся в парообразном или газообразном состояниях;
- закон не применим для соединений переменного состава (бертоллидов),
например TiO1,2-2,0 или TiO1,46-1,56;
- закон не применим для высокомолекулярных соединений, например C20H42
или C21H44; числа весовых частей углерода, приходящихся в этих соединениях на
одну весовую часть водорода относятся к друг другу как целые числа, но назвать эти
числа небольшими нельзя.
Закон необходим для установления формул химических соединений (простейшей и истинной).
Простейшая формула показывает лишь соотношение атомов элементов, входящих
в данное соединение, но не показывает истинного соотношения атомов в молекуле.
Для вывода простейшей формулы необходимо:
x: y:z =
3
1) знать химический состав соединения;
2) атомные массы образующих данное вещество элементов (Ar).
Например, для химических соединений С2Н2, С4Н4, С6Н6 простейшая формула
имеет вид (СН)n.
Истинная (молекулярная) формула показывает истинное число атомов в молекуле и
для ее установления необходимо знать молекулярную массу этого вещества (Mr).
Молекулярную массу можно установить различными способами:
1) расчетным – по уравнению Менделеева-Клапейрона или исходя из относительной плотности по водороду или воздуху;
2) опытным путем – исходя из значений молекулярных масс простейшей и истинной формулы.
1.2 Примеры установления простейшей и истинной формул
1.2.1 Определение простейшей формулы соединения
Для установления простейшей формулы соединения можно воспользоваться
формулой (1).
Пример. Вещество содержит 32,43 % натрия, 22,55 % серы и 45,02 % кислорода. Найти простейшую формулу соединения.
Решение. Соотношение чисел атомов в молекулах данного соединения определяется выражением:
x: y:z =
w Na w S wO 32,43 22,55 45,02
:
:
=
:
:
= 1,41 : 0 ,705 : 2 ,82 .
ArNa ArS ArO
23
32
16
Так как число атомов в молекуле может быть только целым, то полученные
отношения выражают целыми числами. Для этого разделим полученные значения на
самое меньшее число (0,705) и получим:
x:y:z = 2 : 1 : 4.
Отсюда для данного соединения можно записать формулу Na2SO4. Эта формула будет простейшей.
1.2.2 Определение молекулярной массы по уравнению Менделеева –
Клапейрона
При установлении истинной формулы соединения необходимо знать молекулярную массу вещества. Поскольку закон кратных отношений позволяет устанавливать формулы только веществ, находящихся в газообразном или парообразном состояниях, можно использовать уравнение Менделеева – Клапейрона для расчета молекулярной массы вещества
pV =
m
RT,
Mr
где m – масса вещества, г;
p – давление, мм рт.ст. (атм или Па);
V – объем вещества, мл (л или м3);
R – универсальная газовая постоянная;
4
Т – температура, К;
Mr – молекулярная масса.
Отсюда молекулярная масса может быть рассчитана по формуле
Mr =
mRT
.
pV
При расчете молекулярной массы следует помнить о размерности давления и
объема и их связи с универсальной газовой постоянной.
Пример. Вычислить молярную массу ацетона, если масса 0,5 л его паров при
87 ºС и давлении 96 кПа равна 0,93 г.
Решение. Из уравнения Клапейрона – Менделеева выражаем и вычисляем М,
подставляя массу паров в граммах (0,93 г), давление в паскалях (96000 Па), объем в
м3 ( 5 ×10 -3 м 3 ) и температуру в абсолютных градусах (360 К):
m
pV = RT ,
M
mRT 0,93 × 8,314 × 360
M=
=
= 58 г моль.
pV
96000 × 0,5 × 10-3
1.2.3 Определение молекулярной массы по относительной плотности газов
Молекулярные массы газообразных или легколетучих веществ можно определить с помощью закона Авогадро.
Равные объемы газов, при одинаковой температуре и одинаковом давлении, содержат равное число молекул.
Отсюда следует, что массы равных объемов двух газов относятся друг к другу
как их молекулярные или численно равные им молярные массы:
m1 M1
=
.
m2 M2
Отношение m1 : m2 называется относительной плотностью первого газа по
второму и обозначается D:
D=
m1 M 1
=
,
m2 M2
откуда
M1 = D × M 2 ,
т.е.: молекулярная масса газа равна его плотности по отношению ко второму газу, умноженной на молекулярную массу второго газа.
Плотность газов обычно определяют по отношению к водороду или воздуху.
Молекулярная масса водорода равна 2, а средняя молекулярная масса воздуха 29,
поэтому уравнения для расчета молекулярной массы имеют вид:
M r = 2D H ,
2
M r = 29D возд .
Пример. Газообразное соединение содержит 82,64% углерода и 17,36% водорода. Плотность его по водороду 29. Определить истинную формулу соединения.
Решение. Записываем формулу соединения как CxHy, принимаем массу соединения 100 г; тогда масса углерода составит 82,64 г, а масса водорода 17,36 г. Вычисляем
5
количество каждого элемента в соединении и выражаем их целыми числами:
x=
y=
82,64
= 6,88,
12
17,36
= 17,36,
1
x : y = 6,88 : 17,36 = 2 : 5.
Таким образом, простейшая формула соединения C2H5, и этой формуле соответствует молекулярная масса 29. Но по условию задачи молекулярная масса
Mr = 2∙29= 58 . Следовательно, истинная формула соединения C4H10.
1.2.4 Определение молекулярной массы опытным методом
Для установления истинной формулы необходимо знать молекулярную массу соединения, это позволяет найти истинные соотношения атомов в молекулах.
Пример. Бензол содержит 92,3 % углерода и 7,7 % водорода. Найти истинную формулу соединения, учитывая, что молекулярная масса бензола, определенная опытным путем, равна 78.
Решение. Исходя из состава и пользуясь формулой (1), находим простейшую
формулу:
x: y=
w C wH
92,3 7 ,7
:
=
:
= 1 :1.
ArC ArH
12
1
Простейшая формула соответствует СН. Истинную формулу бензола определяем по соотношению
n=
Mr ист .
,
Mrпрост .
где Mr ист . - молекулярная масса истинной формулы;
Mrпрост . - молекулярная масса простейшей формулы.
Молекулярная масса простейшей формулы равна 12+1 = 13, тогда n = 78/13
= 6. Следовательно, истинная формула имеет вид (СН)6 = С6Н6.
2 Экспериментальная часть
В качестве неизвестной соли будет использована соль в виде так называемого кристаллогидрата - химического соединения, содержащего в твердом состоянии кристаллизационную воду. Например, CuSO 4 × 5H 2 О – пентагидрат сульфата
меди (II). Известно, что кристаллогидраты при нагревании теряют кристаллизационную воду, переходя в безводные соли, например
CuSO 4 × 5H 2 О
нагрев. при t > 500 o C
CuSO 4 + 5H 2 О - .
Пользуясь этим, можно определить процентное содержание воды в кристаллогидрате, а отсюда, зная формулу безводной соли, рассчитать число молекул кристаллизационной воды, присоединяющихся к одной молекуле безводной соли.
Для работы берут кристаллогидрат одной из следующих солей: CuCl2;
CuSO4; NiSO4; Na2CO3; CaCO3. Получив соль у преподавателя, и установив ее химический состав, приступают к определению количественного состава соли.
6
1) Для определения массового состава кристаллогидрата на предварительно
выверенных технохимических весах взвешивают с точностью до 0,01 г тигель.
2) Затем, взяв его тигельными щипцами, ставят тигель на электрическую
плитку для прокаливания. Через 10-15 мин тигель переносят в эксикатор.
Эксикатор служит для охлаждения предметов в атмосфере, лишенной влаги. В
нижней части эксикатора находятся вещества, поглощающие влагу (конц. H2SO4;
CaCl2; P2O5 и т.д.).
3) После первого взвешивания необходимо повторить прокаливание тигля в
течение 3-5 мин (брать тигель только щипцами!) и после охлаждения тигля в эксикаторе снова его взвесить.
Если результаты первого и второго взвешиваний совпадают, считается, что
тигель прокалён до «постоянной массы».
В случае расхождения данных первого и второго взвешивания прокаливание повторяют еще раз. Так поступают до тех пор, пока два раза не будет получен одинаковый
результат. Описанный здесь прием – проведение обработки до постоянной массы,
находит широкое применение в самых различных химических исследованиях.
4) Следующий этап работы заключается в том, что в прокаленный тигель аккуратно и
осторожно (не просыпая мимо!) насыпают около 2,00 г кристаллогидрата (примерно).
5) Взвешивают на весах с точностью до 0,01 г и ставят тигель с исследуемым
веществом для прокаливания сначала на край, а затем по мере прокаливания, передвигают на середину электрической плитки. По мере удаления влаги цвет кристаллогидрата будет изменяться. Изменение цвета необходимо отметить в рабочей тетради.
Прокаливание проводится до тех пор, пока цвет соли не станет однородным.
6) После этого тигель охлаждается в эксикаторе и взвешивается. Операцию
прокаливания и взвешивания проводят до «постоянной массы» по методике, описанной выше. Результаты взвешивания записывают в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты экспериментальных данных
№
п/п
Первое
взвешивание
Масса, г
тигля
тигля с
солью
соли в виде
кристаллогидрата
безводной
соли
воды
25,97
28,40
2,43
–
–
Второе
взвешивание
25,97
27,31
–
1,34
1,09
Третье
взвешивание
–
27,31
–
1,34
1,09
Цвет
зеленый
коричневый, ближе
к
желтому
светложелтый
По окончании опыта (достижения постоянной массы) проводят необходимые
расчеты и находят формулу кристаллогидрата. Для установления формулы кристаллогидрата необходимо рассчитать соотношение x:y.
7
3 Математическая обработка результатов эксперимента
Для установления формулы кристаллогидрата поступают следующим образом.
Пример. Требуется определить формулу кристаллогидрата сульфата никеля.
Решение . 1) Записываем формулу кристаллогидрата в следующем виде:
(NiSO 4 )x × (H 2 O )y .
2) Составляем уравнение:
x:y=
где
m NiSO 4
:
m H 2O
MrNiSO 4 MrH 2O
,
m NiSO – масса безводного сульфата никеля, г;
m H O – масса испарившейся воды, г;
4
2
MrNiSO 4 ; MrH 2O – молекулярные массы соединений.
3) В уравнение подставляем значения массы безводной соли и массы воды из
таблицы 1 и рассчитываем значения x и y:
1,34 1,09
x:y =
:
154,77 18
x : y = 0,0087 : 0,061
Для получения целых чисел делим оба значения на наименьшее, т.е. на 0,0087,
и получаем
x : y = 1 : 7,01
x : y = 1: 7 .
4) Полученную формулу кристаллогидрата записываем в виде NiSO 4 × 7 H 2 O .
Для расчета погрешности эксперимента полученное значение сравниваем с
истинной формулой кристаллогидрата (даётся преподавателем) в соответствии с
формулой
D=
n H 2O получен. - n H 2O истин.
n H 2O истин.
× 100% ,
где n H 2O получен. - количество молекул воды, полученное в результате расчетов;
n H 2O истин. - количество молекул воды в истинной формуле кристаллогидрата.
Если истинная формула кристаллогидрата имеет формулу NiSO 4 × 7 H 2 O , то
погрешность составит
D=
7-7
× 100% = 0 .
7
5) Процентное содержание влаги определяем, используя формулу
% H 2O =
где m H O – масса испарившейся воды, г;
mкрист-та – масса кристаллогидрата, г.
2
8
m H 2O
m крист - та
× 100,
В соответствии с данными, представленными в таблице 1, процентное содержание влаги составляет
1,09
×100 = 44,86 % .
w H O=
2
2,43
4 Безопасность труда
Во время выполнения работы необходимо соблюдать в лаборатории чистоту и тишину, работать только в халатах. Приступать к выполнению работы только после полного
ознакомления с методикой ее выполнения и с разрешения преподавателя.
Рабочее место необходимо содержать в чистоте и порядке, не загромождать
его ненужными для работ предметами.
При нагревании соли не наклонять над тиглем, беречь глаза.
Тигель снимать с электрической плиты и ставить его в эксикатор необходимо
только специальными тигельными щипцами.
Соблюдать правила, изложенные в инструкции по технике безопасности.
9