ZADANIA Z CHEMII

ZADANIA Z CHEMII
Stechiometria – analiza elementarna
Stechiometria – jest to metoda analizy, w której wykorzystuje się reakcje chemiczne,
a w obliczeniach analizy ilościowej – równanie reakcji chemicznej.
Analiza elementarna – jest to metoda analizy ilościowej, w której określa się skład %
pierwiastków w związku chemicznym.
Najogólniej metody analizy ilościowej podzielić można na dwie grupy:
I.
Metody analizy stechiometrycznej, w których wykorzystuje się reakcje chemiczne,
a w obliczeniach równania reakcji chemicznych. Istotą tych metod jest oznaczenie
liczby moli (n) jednego z reagentów reakcji, w której uczestniczy badana substancja.
W zależności od sposobu oznaczania liczby moli reagentów metody te dzielą się na:
- Analizę wagową ( n =
m
, gdzie: m – masa reagenta, M - masa molowa reagenta)
M
- Analizę objętościową ( n
= Vr ⋅ cr , gdzie: Vr – objętość roztworu w dm3,
cr – stężenie roztworu wyrażone w mol/dm3).
II.
Metody analizy niestechiometrycznej, w których nie wykorzystuje się reakcji
chemicznych. Istotą tych metod jest odwołanie się do wzorca. Ilość badanej substancji
oznacza się mierząc wybraną wielkość fizykochemiczną, np.: absorbancję (A) w
metodach spektroskopowych, współczynnik załamania światła (n) w refraktometrii, kąt
skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego (α) w polarymetrii, itp. Najczęściej
wykorzystywane
we
współczesnych
laboratoriach
analitycznych
to
metody:
chromatograficzne, spektroskopowe i elektrochemiczne. Opis tych metod można
znaleźć w wielu podręcznikach.
W większości współczesnych metod analitycznych stosuje się nowoczesną aparaturę pomiarową.
Metody takie określa się terminem – analiza instrumentalna. Należy podkreślić, że analizą
instrumentalną nazwa się z oczywistych powodów wszystkie metody niestechiometryczne, ale również
niektóre metody stechiometryczne. Na przykład analizą instrumentalną są elektrochemiczne metody
analizy objętościowej: miareczkowanie potencjometryczne, w którym wykorzystywany jest
potencjometr i miareczkowanie konduktometryczne, w którym wykorzystywany jest konduktometr.
Ustalanie wzoru rzeczywistego substancji chemicznej
Ostatecznym celem identyfikacji substancji chemicznej jest podanie jej wzoru chemicznego.
Wzór chemiczny związku chemicznego informuje nas o:
-
Składzie jakościowym, tzn. jakie pierwiastki tworzą ten związek,
-
Stosunkach ilościowych pierwiastków wchodzących w skład tego związku,
-
Strukturze cząsteczki tego związku.
W przypadku, gdy analizowaną substancją jest pierwiastek chemiczny ogranicza się to do
podania symbolu tego pierwiastka. Jeśli pierwiastek występuje w rożnych odmianach alotropowych, to
przeprowadzając dodatkowe badania fizykochemiczne, np. oznaczając temperaturę topnienia można
określić, jaka odmiana alotropowa pierwiastka była przedmiotem przeprowadzonej identyfikacji.
W przypadku, gdy identyfikowana substancja jest związkiem chemicznym, do określenia jej
wzoru chemicznego należy dodatkowo:
-
Przeprowadzić analizę elementarną, tzn. określić % skład pierwiastkowy analizowanej
substancji,
-
Wyznaczyć masę molową analizowanego związku chemicznego,
-
Przeprowadzić badania fizykochemiczne, najczęściej spektroskopowe, pozwalające ustalić
wzór strukturalny cząsteczki związku chemicznego.
Stosuje się następujące pojęcia:
-
Wzór empiryczny związku chemicznego,
-
Wzór rzeczywisty (sumaryczny) związku chemicznego,
-
Wzór strukturalny cząsteczki związku chemicznego.
Wzór empiryczny związku chemicznego ma formę: AaBb, gdzie A i B, to symbole pierwiastków chemicznych, a współczynniki: a i b oznaczają najmniejszy stosunek molowy tych pierwiastków
wchodzących w skład tego związku chemicznego. Wzór empiryczny związku chemicznego ustala się
na podstawie wyników analizy elementarnej. Na przykład analiza elementarna pewnego związku chemicznego wykazała, że zawiera on: 48,5% C, 5,1% H i 14,2% N.
Ponieważ suma procentowego składu podanych pierwiastków jest mniejsza od 100, to oznacza to, że
w skład tego związku chemicznego wchodzi również tlen. Procentową zawartość tlenu (%O) w tym
związku oblicza się w następujący sposób:
%O = 100 - Σ (% pierwiastek) = 100 - 67,8 = 32,8.
Skład % pierwiastków w związku chemicznym jest informacją o stosunku masowym pierwiastków w tym związku. Stosunek masowy pierwiastków w związku chemicznym jest stały, niezależny od ilości tego związku i sposobu jego otrzymania (prawo stałości składu J. L. Prousta). Do
ustalenia wzoru empirycznego wystarczy, więc przeliczyć stosunek masowy pierwiastków w związku
na stosunek molowy.
Przeliczanie stosunku masowego pierwiastków w związku na stosunek molowy
Wzór empiryczny przykładowego związku chemicznego ma postać: CxHyOzNk, w którym
współczynniki stechiometryczne: x, y, z, k oznaczają najmniejszy stosunek molowy pierwiastków w
tym związku. Liczbę moli (n) substancji oblicza się z zależności:
Gdzie: m - masa substancji w g, a M - masa molowa substancji w g·mol−1.
n=
m
M
Wykorzystując powyższą zależność można obliczyć liczbę moli poszczególnych pierwiastków zawartą
w 100 g analizowanego związku chemicznego:
x=
48,5
= 4,04
12
y=
5,1
= 5,10
1
k=
32,2
= 2,01
16
z=
14,2
= 1,01
14
Ponieważ stosunek molowy pierwiastków w związku chemicznym musi być wyrażony jako
stosunek liczb całkowitych (prawo stosunków molowych Daltona), to dzielimy otrzymane liczby
przez najmniejszą z nich i po zaokrągleniu otrzymujemy:
x : y : z : k = 4 : 5 : 1 : 2.
Wzór empiryczny tego związku ma postać: C4H5NO.
Wzór rzeczywisty (sumaryczny) związku chemicznego - to taki, w którym współczynniki
stechiometryczne informują nas o liczbie moli pierwiastków w 1 molu tego związku lub o liczbie atomów pierwiastków w 1 cząsteczce tego związku.
Dla określenia wzoru rzeczywistego związku chemicznego należy po ustaleniu wzoru
empirycznego oznaczyć masę molową związku. Wzór rzeczywisty związku chemicznego jest albo
identyczny z wzorem empirycznym, albo jego współczynniki stechiometryczne są całkowitą wielokrotnością współczynników wzoru empirycznego. Na przykład wzór empiryczny pewnego węglowodoru ma postać: CH2. Taki sam wzór empiryczny ma wiele węglowodorów, np.: eten (C2H6), propen
(C3H6), buten (C4H8), itp. Dopiero po oznaczeniu masy molowej można jednoznacznie odpowiedzieć
na pytanie, który z tych związków jest badaną substancją.
W niektórych przypadkach ten sam wzór rzeczywisty (sumaryczny) może być przypisany do
różnych związków chemicznych (zjawisko izomerii). Aby odpowiedzieć na pytanie, który z izomerów
jest analizowaną substancją, należy ustalić wzór strukturalny cząsteczek tej substancji. Do tego celu
wykorzystuje się metody analizy fizykochemicznej, najczęściej metody spektroskopowe.
Zadanie 1. Ile procent cyny powinno znajdować się w jej stopie z miedzią, aby na każdy atom cyny
przypadało sześć atomów miedzi?
Dane:
N Cu
=6
N Sn
MCu = 63,5 g/mol
MSn = 118,7 g/mol
Należy obliczyć:
%Sn =?
Rozwiązanie:
% Sn =
m Sn
⋅ 100 [1]
m Sn + mCu
Przedstawiając masy pierwiastków, jako funkcję liczby moli pierwiastków, otrzymuje się:
m Sn = n Sn ⋅ M Sn ,
mCu = nCu ⋅ M Cu
Wzór [1] przekształca się do postaci:
% Sn =
n Sn ⋅ M Sn
⋅ 100 [2]
n Sn ⋅ M Sn + nCu ⋅ M Cu
Dzieląc licznik i mianownik równania [2] przez nSn, otrzymuje się:
% Sn =
M Sn
Zgodnie z prawem Avogadro:
A zatem: % Sn =
M Sn
M Sn
⋅ 100 [3]
nCu
+
M Cu
n Sn
nCu N Cu
[4]
=
n Sn
N Sn
M Sn
118,7
⋅ 100 =
⋅ 100 = 23,75%
nCu
118,7 + 6 ⋅ 63,5
+
M Cu
n Sn
Zadania do samodzielnego rozwiązania:
1. Analiza wykazała, że w 3,26 g tlenku chromu znajduje się 2,24 g chromu. Jaki jest wzór chemiczny tego tlenku?
2.
W 2,3 g tlenku azotu znajduje się 0,7 g azotu. Podaj wzór tlenku.
3.
Jaki wzór ma tlenek siarki, którego 100 g zawiera 40 g siarki?
4.
Tlenek żelaza zawiera 27,6 % tlenu. Jaki jest wzór chemiczny tego tlenku?
5.
Fluorowcopochodna benzenu zawiera 48,3 % chloru. Podaj wzór sumaryczny tego związku.
Odp. C6H4Cl2
6. W 23,0 g tlenku azotu znajduje się 7,0 g azotu. Podaj wzór chemiczny tlenku.
Odp. NO2
7. Jaki wzór chemiczny ma tlenek siarki, którego 10,0 g zawiera 6,0 g tlenu?
Odp. SO3
8. Krystaliczny siarczan magnezu zawiera 51,17 % wody krystalizacyjnej. Oblicz ile cząsteczek
wody przypada na jedną cząsteczkę MgSO4.
Odp. 7
9. Pewien tlenek żelaza zawiera 27,6 % tlenu. Jaki jest wzór chemiczny tego tlenku?
Odp. Fe3O4
10. Pewien pierwiastek tworzy dwuprotonowy kwas tlenowy o masie 98 g·mol−1, w którym stosunek
masowy tlenu do wodoru wynosi 32 : 1. Podaj wzór tego kwasu.
Odp. H2SO4
11. Tlenek ołowiu zawiera 86,6 % metalu, resztę stanowi tlen. Wyprowadź wzór chemiczny tego
tlenku.
Odp. PbO2
12. Próbka pewnego kwasu organicznego zawiera 26,67 % wagowych węgla i 71,11 % wagowych
tlenu. Podaj wzór rzeczywisty tego związku, jeśli wiadomo, że jego masa molowa wynosi
90 g·mol−1.
Odp. H2C2O4
13. Pewien pierwiastek tworzy dwuprotonowy kwas tlenowy o masie 62 g/mol, w którym stosunek
masowy tlenu do wodoru wynosi 24:1. Podaj wzór tego kwasu.
14. Podaj wzór empiryczny substancji o składzie procentowym: 28,25 % potasu, 25,64 % chloru,
46,11 % tlenu.