Формула гелия

Определение и формула гелия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

После водорода гелий – самый легкий из всех газов. Он более чем в 7 раз легче воздуха.

По физическим свойствам гелий наиболее близок к молекулярному водороду. Вследствие ничтожной поляризуемости атомов гелия у него самые низкие температуры кипения (-269^oC) и плавления (-271^oC при 2,5×10⁶ Па).

Гелий по сравнению с другими элементами обладает наибольшей энергией ионизации атома (24,59 эВ). Особая устойчивость электронной структуры атома отличает гелий от остальных элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды, например, растворяется при 0^oC менее 10 мл гелия, т.е. в два с лишним раза меньше, чем молекул водорода (H₂), и в 51000 раз меньше, чем молекул хлороводорода (HCl).

Химическая формула гелия

Химическое обозначение гелия – He от латинского слова «helium». Этот химический элемент расположен в первом периоде в VIIIA группе Его внешний энергетический уровень заполнен, из-за чего он наименее химически активен, чем другие химические элементы (входит в группу элементов под названием инертные газы). Относительная атомная масса гелия равна 4,0026 а.е.м.

Электронная формула гелия

Ядро атома гелия содержит два протона и два нейтрона (массовое число гелия равно 4-м). Как и в атоме водорода, у гелия есть всего один энергетический уровень, на котором находятся два электрона (рис. 1).

Рис. 1. Строение атома гелия.

Электронная формула атома гелия в основном состоянии выглядит следующим образом:

1s²

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При сжигании 6,5 г газообразного органического соединения получено 11,2 л (н.у.) углекислого газа и 4,5 г воды. Относительная плотность этого соединения по водороду равна 13. Выведите его химическую формулу.

Решение

Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у»и «z» соответственно:

C_xH_yO_z →CO₂ + H₂O

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(CO₂) = [V(CO₂) / V_m]×M(CO₂);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×n(H₂O) / M(H₂O)]×M(H)

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль

Тогда,

m(C) = [11,2 / 22,4]×44 = 6 г;

m(H) = [2×4,5 / 18] ×1 = 0,5 г

m(O) = m(C_xH_yO_z) – m(C) – m(H) = 6,5 – 6 – 0,5 = 0,

что свидетельствует о том, что в составе данного органического вещества нет.

Определим химическую формулу соединения как C_xH_y:

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y =6/12 :0,5/1;

x:y = 0,5 : 0,5 = 1: 1

Значит простейшая формула соединения CH и молярную массу 13 г/моль [M(CH) = Ar(C) + Ar(H)= 12 + 1 = 13 г/моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по водороду:

M_substance = M(H₂) × D(H₂)_;

M_substance = 2 × 13 = 26 г/моль

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(CH) = 26 / 13 = 2

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C₂H₂. Это ацетилен.

Ответ

C₂H₂

ПРИМЕР 2

Задание

В результате сгорания кислородсодержащего органического соединения в избытке воздуха собрано 1,584 г углекислого газа и 0,972 мл воды. Плотность пара этого соединения по воздуху равна 1,5865. Выведите химическую формулу соединения, если она содержит два одноименных радикала.

Решение

C_xH_yO_z+ O_z→CO₂ + H₂O

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(C) = [m(CO₂) / M(CO₂)]/M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×m(H₂O) / M(H₂O)]×M(H);

m(H) =[2×V(H₂O)×M(H) / M(H₂O)×1 (г/мл)]

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль

Тогда,

m(C) = [1,584 / 44]/12 = 0,432 г;

m(H) = [2×0,971 ×1 / 18 ×1 (г/мл)] = 0,108 г

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху:

M_substance = M_air × D_air;

M_substance = 29 × 1,5862 = 46 г/моль

Найдем число атомов углерода и водорода в соединении:

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y = 0,432/12 :0,108/1;

x:y = 0,036 : 0,108 = 1: 3

Значит простейшая формула углеводородного радикала этого соединения имеет вид CH₃и молярную массу 15 г/моль [M(CH) = Ar(C) + 3×Ar(H)= 12 + 3×1 = 12 + 3 = 15 г/моль]. Это означает, что на кислород приходится [46-15 = 31 г/моль], что невозможно.

Учитывая условие задачи про два одноименных радикала 2×М(CH₃) = 2×15 = 30 г/моль, получаем, что на кислород приходится [46-30 = 16 г/моль], т.е. органическое кислородсодержащее соединение имеет вид CH₃-O-CH₃. Это ацетон (диметилкетон).