FAQ: сжигание органических веществ, элементный анализ

вопросы, касающиеся школьной и вузовской химии; помощь в решении задач различного уровня сложности
Ответить
Аватара пользователя
pH<7
Сообщения: 4237
Зарегистрирован: Ср апр 21, 2004 6:48 pm
Контактная информация:

FAQ: сжигание органических веществ, элементный анализ

Сообщение pH<7 » Вс окт 14, 2007 3:09 pm

Горение органических веществ - окислительно-воостановительная реакция. Как правило, в задачах подразумевается полное сгорание, то есть продуктами является CO2 и H2O. Продуктом сжигания азотсодержащих соединений также является молекулярный азот (N2), хлорсодержащих —хлороводород (HCl), серусодержащих — диоксид серы (SO2).

Полезно знать уравнение горения в общем виде, которое несложно вывести. Начнём с самого простого (углеводороды), общая формула CxHy:

CxHy + ?O2 = ?CO2 + ?H2O

Легко заметить, что количество углерода, входящее в состав исходного соединения, даёт соответствующее количество CO2. Значит, на получение xCO2 нам требуется x молекул кислорода. Проведём аналогичные рассуждения для водорода и получим:

CxHy + (x+0.25y)O2 = xCO2 + 0.5yH2O

Для примера, сожжём пентан (x=5, y=12).

C5H12 + (5+0.25*12)O2 = 5CO2 + (12*0.5)H2O, или

C5H12 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O

Может получиться, что число атомов водорода не делится на четыре, что приведёт к дробным коэффициентам при уравнивании. В этом случае коэффициенты в обеих частях уравнения следует умножить на 2.

Пропен (x=3, y=6):
C3H6 + 4.5O2 = 3CO2 + 3H2O, или
2C3H6 + 9O2 = 6CO2 + 6H2O

Если в состав сжигаемой молекулы входит кислород, то на реакцию требуется меньшее количество молекулярного кислорода:

CxHyOz + (x+0.25y–0.5z)O2 = xCO2 + (0.5*y)H2O

Совершим насилие над природой и сожжём этанол (C2H5OН). Чуть-чуть, самую капельку:

C2H6O1 + (2+0.25*6–0.5*1)O2 = 2CO2 + (0.5*6)H2O, или
C2H6O + 3O2 = 2CO2 + 3H2O.

Может показаться, что если в сжигаемое вещество входит ещё и азот, то задача ну совсем никак не может иметь решения. И всё же:

CxHyOzNk + (x+0.25*y–0.5*z)O2 = xCO2 + (0.5*y)H2O + 0.5kN2

Сожжём нитробензол (C6H5O2N). Нет, лучше сразу сожжём героин (C21H23O5N).

C21H23O5N + (21+0.25*23–0.5*5)O2 = 21CO2 + (0.5*23)H2O + 0.5N2, или
4C21H23O5N + 97O2 = 84CO2 + 46H2O + 2N2

После всех этих изматывающих экзерсисов по уравниванию реакций не забудьте проверить, чтобы в каждой части уравнения было одинаковое число атомов каждого элемента (как это только что сделал я, и нашёл ошибку!) Начинать уместно с кислорода. Удачи юным пироманам!
Последний раз редактировалось pH<7 Вс ноя 04, 2007 7:27 pm, всего редактировалось 5 раз.
Carpe diem

Аватара пользователя
pH<7
Сообщения: 4237
Зарегистрирован: Ср апр 21, 2004 6:48 pm
Контактная информация:

Сообщение pH<7 » Вс окт 14, 2007 3:12 pm

С помощью сжигания можно установить элементный состав соединения, и на эту тему существует достаточно большое число задач. Легко встретить условия типа:

"...продукты сгорания пропустили через три последовательных ёмкости... их масса увеличилась на столько-то и столько-то грамм." В первой может быть оксид фосфора (V), служащий для поглощения воды, во второй — гидроксид натрия или кальция или их раствор (почему нельзя поменять местами первую и вторую?), в третьей — раскалённые медные опилки или раствор пирогаллола для поглощения избыточного кислорода. Иногда на выходе можно встретить таинственный бесцветный газ с плотностью по водороду 14. Ознакомившись с предыдущим сообщением, легко понять, что это за газ. Следует отметить, что подобная постановка эксперимента вполне соответствует повседневной химической практике элементного анализа.

Как же от прироста масс в каждой склянке можно перейти к элементному составу вещества? Допустим, мы сожгли 0.92 г некого углеводорода. Первая склянка стала тяжелее на 0.72 г, вторая — на 3.04 г. Эти цифры отражают массы образовавшихся в реакции воды и углекислого газа, соответственно. Заметим, что количества их относятся как 4:7. Из уравнения реакции сгорания (см. выше) следует, что количество углерода к количеству водорода в исходном веществе относятся как 7:8. Строго говоря, в отсутствие дополнительных условий мы должны записать ответ как (C7H8)x, поскольку такому соотношению удовлетворяют соединения состава и C14H16, и C21H24, и C70H80. Но наиболее вероятным вариантом является, конечно же, C7H8 — метилбензол (толуол).

Рассмотрим задачу другого типа.
1.16 грамм органического вещества, в состав которого входят элементы C, H, O с плотностью паров по водороду 29, смешали с 2.24 л кислорода (н. у.) и (кто бы мог подумать!) подожгли. Полученную газовую смесь пропустили последовательно через раствор гидроксида бария, при этом выпало 11.8 г белоснежного осадка, и раствор пирогаллола, масса ёмкости с которым увеличилась на 1.28 грамма. Определить брутто-формулу вещества.
Решение. Очевидно, что в осадок представляет собой нерастворимый карбонат бария (М=197). Его количество — 0.06 моль. Из следующего условия следует, что после сжигания осталось 1.28/32=0.04 моль кислорода, из исходных 0.1. То есть, 0.1–0.04=0.06 моль кислорода ушло совершенно неизвестно куда. Заметим, что нам фактически дана молекулярная масса нашего вещества, она равна 58 г/моль (следует из плотности паров по водороду, равной 29). Значит, мы знаем его количество: n=1.16/58=0.02 моль. Значит, мы знаем, что на 1 моль исходного вещества приходится 3 моль CO2 и 3 моль кислорода. Запишем уравнение реакции горения:

CxHyOz + (x+0.25y–0.5z)O2 = xCO2 + yH2O

Подставим в уравнение известные нам данные.

CxHyOz + 3O2 = 3CO2 + 0.5*yH2O

Кажется, что мы в тупике, мы обработали все численные данные, и пришли пока только к непонятному уравнению с двумя неизвестными. И о количестве воды нам ничего неизвестно... Зато мы поняли, что в нашем веществе с M=58 есть 3 атома углерода. А ещё там есть кислород. Причём его меньше 2 атомов на молекулу, так как масса фрагмента C3O2 превышает 58. То есть... один? Да, и никак иначе. Остаток соответствует 6 атомам водрода. Ответ: C3H6O!



...to be continued
Последний раз редактировалось pH<7 Вс окт 14, 2007 6:26 pm, всего редактировалось 13 раз.
Carpe diem

Аватара пользователя
pH<7
Сообщения: 4237
Зарегистрирован: Ср апр 21, 2004 6:48 pm
Контактная информация:

Сообщение pH<7 » Вс окт 14, 2007 3:33 pm

Результатами элементого анализа являются данные о массовом содержании элементов в исследуемом соединении, которые нужно перевести в брутто-формулу. Брутто-формулой называется краткая форма записи химической формулы соединения, которая отражает его количественный элементный состав. Число атомов каждого элемента записывается в нижнем индексе. Поскольку структура форума не позволяет вводить такой текст, здесь для этой цели будет использоваться текст с шрифтом меньшего размера. Обратите внимание, что стандартный внешний вид форума (NoseBleed) неправильно отображает размер шрифта (скажем так, хуже, чем стандартный пхпшный subSilver)!

Очень хочется верить, что все умеют находить массовые доли элементов в известных соединениях при помощи таблицы Дмитрия нашего Ивановича и калькулятора. Поэтому здесь будут рассматриваться обратные задачи, причём из неорганической и органической химии одновременно.

Итак, начнём с самого простого - с бинарных соединений, т.е. веществ, состоящих только из двух элементов. В эту категорию попадают оксиды, многие соли и, конечно же, углеводороды. Определим брутто-формулу оксида железа, содержащего 30% кислорода по массе. Сразу же понятно, что остальные 70% приходятся на железо. Ход решения выглядит так:
1. Примем молекулярную массу неизвестного соединения за х. Значит, 0.3х этой массы приходится на кислород, 0.7х - на железо. Иными словами, m(O):m(Fe)=0.3:0.7
2. Для перехода от массовых соотношений к мольным разделим эти значения на атомные веса соответствующих элементов и получим отношение n(O):n(Fe) в нашем соединении.
0.3/16 : 0.7/56.
3. Пользуясь свойствами пропорций и/или калькулятором, упростим до 3/16:1/8, или 24:16, или 3:2.
4. Получается? на 2 атома железа приходится 3 атома кислорода. Похоже на Fe2O3 — оксид железа (III)!

Органическая кислота содержит 40.0% углерода и 6.7 водорода по массе. Что бы это могло быть? Сведём пункты 1–4 из предыдущего примера в таблицу:


1. Массовые доли (%).
2. Атомная масса элементов (г/моль):
3. Мольные соотношения атомов.
4. Соотношения атомов — мольные соотношения делятся на наименьшее
, в нашем случае на 3.33:

Код: Выделить всё

      C  |  H   |  O
1. 40.0  |  6.7 | 53.3
2. 12    |  1   | 16
3.  3.33 |  6.7 |  3.33
4.  1    |  2   |  1
Разделив эту пропорцию на меньшее из чисел (3.33), получим C:H:O=1:2:1, или (CH2O)n. Условию задачи (искомое вещество является кислотой) удовлетворяет n=2, СH3COOH, уксусная кислота (поиск вариантов с n>2 предоставляется олимпиадникам. :))

Данный алгоритм позволяет легко и быстро восстанавливать брутто-формулу вещества по его элементому анализу. Допустим, мы ищем аминокислоту, в которой 65.4% углерода, 6.7% водорода, 8.5% азота (всё по массе) и совсем нет серы.

Код: Выделить всё

      C  |  H   |  N    |  O
1. 65.4  |  6.7 |  8.5  | 19.4
2. 12    |  1   | 14    | 16
3.  5.45 |  6.7 |  0.61 |  1.22
4.  9    | 11   |  1    |  2 
"Совсем нет серы" указывает нам на то, что остаток приходится на кислород. Получилось С9Н11NO2, нетрудно показать, что это — фенилаланин.

Или даже ищем сульфат неизвестного двухвалентного металла, в котором 26.6 масс. % серы. Раз мы знаем формулу MSO4, то знаем и массовое содержание кислорода, оно равно 53.2%, и металла (остаток) — 20.2%. Приняв атомный масс металла за х, получим

Код: Выделить всё

      S  |  O    |  M
1. 26.6  | 53.2  | 20.2
2. 32    | 16    |  x
3.  0.83 |  3.32 | 20.2/x
4.  1    |  4    | 24.3/x
В результате получается совершенно неразрешимое в целых числах уравнение 24.3/x=1. А в целых нам и не надо, и так поймём, что M=Mg.

Можно даже определить металл, про который науке почти совсем ничего неизвестно, кроме того, что в его хлориде 13.7 масс. % хлора. Здесь будут уже две неизвестных: атомная масса металла х и его степень окисления n. В конце мы выйдем на выражение x/n=223, которое имеет смысл только при n=1, потому что о металлах с бОльшей массой науке неизвестно ну совсем ничего. Честно говоря, мало смысла оно имеет и при n=1, потому что выполнить элементный анализ хлорида франция-223 (радиоактивный щелочной металл) ещё не удавалось никому. :twisted:

Для олимпиадников же стоит отметить, что если результаты элементного анализа даны с большой точностью (как правило, два знака после запятой), то атомные массы следует брать с соответствующей точностью. Углерод весит 12.011, водород 1.008, кислород 15.999, азот 14.007. Для примера попробуйте определить формулу углеводорода, содержащего 85.32% С и 14.68% Н, и убедитесь, что можно промахнуться мимо тетраконтана (C40H82). Неточность невелика, но "округление в нужном месте" — на самом последнем этапе вычислений — является просто правилом хорошего тона. Естественно, это не значит, что каждое промежуточное значение нужно выписывать в решении со всеми знаками после запятой, что может показать калькулятор.
Последний раз редактировалось pH<7 Вс ноя 04, 2007 8:15 pm, всего редактировалось 14 раз.
Carpe diem

Аватара пользователя
Argentinchik
Сообщения: 260
Зарегистрирован: Пн июн 07, 2004 12:18 pm
Контактная информация:

Сообщение Argentinchik » Пн окт 15, 2007 8:44 am

Отличная идея! Предлагаю прикрепить эту тему вверху списка в разделе "Школьная химия" - будет что-то типа справочника-алгоритма, к которому всегда можно отсылать начинающих грызунов гранита науки, бьющихся в истерических конвульсиях от "нерешаемых" задачек
С уважением, Argentinchik

Nord
Сообщения: 2229
Зарегистрирован: Сб фев 14, 2004 5:36 pm

Сообщение Nord » Пн окт 15, 2007 8:44 am

С учетом возможного изменения и дополнения темы, пока оставляю её открытой. УБЕДИТЕЛЬНО ПРОШУ воздержаться от обсуждений любого толка. Все сомнения и претензии вынести в отдельную тему.
Не важно, что о вас говорят современники, важно что о вас скажут потомки

Ответить

Вернуться в «химия в школе и вузе, помощь в решении задач»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 7 гостей