Химия
8 класс
Вопрос
Установите молекулярную формулу соединения, если известно, что
а) при сожжении 0,325 г этого вещества получено 0,314 г $CO_2$, 0,16 г $H_2O$ и 43,8 мл $N_2$, который был собран над раствором $KOH$ с концентрацией около 20 % при равных уровнях жидкости в газовой бюретке и уравнительной склянке;
б) для определения молекулярной массы соединения использовано 0,182 г вещества с температурой кипения $87^{\circ} C$, причем в приборе Мейера парами этого вещества было вытеснено 49,6 мл воздуха, измеренного при разности уровней в эвдиометре и приборе в 7,5 см водяного столба;
в) измерения проведены при температуре $18^{\circ} C$ и атмосферном давлении 753 мм рт. ст.
Ответ
При температуре $18^{\circ} C$ давление насыщенного водяного пара равно 15,5 мм рт. ст., над 20 %-ным раствором $KOH$ оно меньше и равно только 13 мм рт. ст. Для вычисления давления воздуха при разных уровнях жидкости в измерительной бюретке и уравнительной склянке необходимо знать разницу уровней жидкости (высоту столба жидкости) и плотности воды и ртути. Введем обозначения: $p$ - атмосферное давление; $p_2$ - давление паров воды при $18^{\circ} C$; $h_1$ - высота ртутного столба, вычисленная из высоты водяного столба (разности уровней); $d_1$ - плотность ртути ($13,5 г/см^3$); $d_2$ - плотность воды ($1 г/см^3$).
$p_1 = p - p_2 - h_1, h_1 = \frac{75}{13,5} = 5,5$ мм рт. ст.,
$p_1 = 753 - 15,5 - 5,5 = 732$ мм рт. ст.
Объем газа при нормальных условиях
$V_0 = \frac {732 \cdot 49,6 \cdot 273}{760 \cdot 291}= 44,82$ мл.
Плотность паров взятого вещества
$d_x = \frac{0,182}{44,82} \: г/мл = \frac{182}{44,82} \: г/л$.
При этом измеренная молекулярная масса
$M_x = \frac {182 \cdot 22,4}{44,82} = 91$.
По результатам сожжения вещество содержит
$\frac {12 \cdot 0,314 \cdot 100}{44 \cdot 0,325} = 26,37$ % $C$,
$\frac {2 \cdot 0,16 \cdot 100}{18 \cdot 0,325} = 5,54$ % $H$.
Собранный при $18^{\circ} C$ и давлении $753 - 13 = 740$ мм рт. ст. азот в пересчете на нормальные условия занимает объем
$V_0^{ \prime} = \frac {43,8 \cdot 740 \cdot 273}{760 \cdot 291} = 40,01$ мл.
Содержание азота в исследуемом веществе
$\frac {40,01 \cdot 28 \cdot 100}{22400 \cdot 0,325} = 15,39$ % $N$.
Общее содержание $C, H$ и $N$: $26,37 + 5,54 + 15,39 = 47,3$ %, и на долю кислорода приходится $100 - 47,3 = 52,7$ %.
Общая формула исследуемого вещества $C_xH_yO_zN_k$
$x : y : z : k = \frac{26,37}{12} : \frac{5,54}{1} : \frac{52,7}{16} : \frac{15,39}{14} = 1 : 2,52 : 1,50 : 0,55 \simeq 2 : 5 : 3 : 1$.
Следовательно, простейшая формула вещества $C_2H_5O_3N$ ($M_0 = 91$), и, поскольку $M_0 = M_{\: изм}$, истинная молекулярная формула совпадает с простейшей.
Можно предложить ряд структурных формул для вещества состава $C_2H_5O_3N$, например
$\underset {\: этилнитрат}{C_2H_5ONO_2}$ $\underset {2 \: нитроэтанол}{HOCH_2CH_2NO_2}$