Формула карбонатов

Определение и формула карбонатов

Угольная кислота представляет собой двухосновную кислоту, которая подвергается ступенчатой диссоциации:

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^—;

HCO₃^— ↔ H⁺ + CO₃^2-,

тем самым образуя соли – карбонаты – двух видов:

— карбонаты – замещены все атомы водорода в угольной кислоте, например, K₂CO₃ – карбонат калия, (NH₄)₂CO₃ – карбонат аммония, CaCO₃ — карбонат кальция;

— гидрокарбонаты – замещен один атом водорода в угольной кислоте, например, KHCO₃ – гидрокарбонат калия, NH₄HCO₃ – гидрокарбонат аммония, Ca(HCO₃)₂ — гидрокарбонат кальция.

Химические формулы карбонатов

Химические формулы карбонатов рассмотрим на примере кальциевых солей угольной кислоты: CaCO₃ — карбоната кальция и Ca(HCO₃)₂ — гидрокарбоната кальция. Химическая формула показывает качественный и количественный состав молекулы (сколько и каких атомов входит в конкретное соединение) По химической формуле можно вычислить молекулярную массу карбонатов (Ar(Са) = 40 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(С) = 12 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.):

Mr(CaCO₃) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O);

Mr(CaCO₃) = 40 + 12 + 3×16 = 52 +48 = 100.

Mr(Ca(HCO₃)₂) = Ar(Ca) + 2×Ar(H) + 2×Ar(C) + 6×Ar(O);

Mr(Ca(HCO₃)₂) = 40 + 2×1 +2×12 + 6×16 = 40 + 2 + 24 + 96 = 162.

Графическая (структурная) формула карбонатов

Структурная (графическая) формула является более наглядной. Рассмотрим структурные формулы карбонатов на примере все тех же кальциевых солей угольной кислоты: CaCO₃ — карбоната кальция и Ca(HCO₃)₂ — гидрокарбоната кальция.

Рис. 1. Структурная формула карбоната кальция.

Рис. 2. Структурная формула гидрокарбоната кальция.

Ионная формула

Карбонаты представляют собой соли разного типа (средние и кислые), каждая из которых способна диссоциировать в водном растворе:

CaCO₃ ↔ Ca²⁺ + CO₃^2-;

Ca(HCO₃)₂ ↔ Ca²⁺ + 2HCO₃^—.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При полном сгорании 6 г органического вещества образовалось 8,8 г оксида углерода (IV) и 3,6 г воды. Определите молекулярную формулу сожженного вещества, если известно, что его молярная масса равна 180 г/моль.

Решение

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

C_xH_yO_z+ O_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(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);

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) = [8,8 / 44]×12 = 2,4 г;

m(H) = 2×3,6 / 18 ×1= 0,4 г.

m(O) = m(C_xH_yO_z) – m(C) – m(H) = 6 – 2,4 – 0,4 = 3,2 г.

Определим химическую формулу соединения:

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

x:y:z= 2,4/12 :0,4/1 :3,2/16;

x:y:z= 0,2 : 0,4 : 0,2 = 1: 2 : 1.

Значит простейшая формула соединения CH₂O и молярную массу 30 г/моль [M(CH₂O) = Ar(C) + 2×Ar(H) + Ar(O) = 12 + 2×1 + 16 = 12 + 2 + 16 = 30 / моль].

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение истинной и полученной молярных масс:

M_substance / M(CH₂O) = 180 / 30 = 6.

Значит индексы атомов углерода, водорода и кислорода должны быть в 6 раз выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C₆H₁₂O₆. Это глюкоза или фруктоза.

Ответ

C₆H₁₂O₆

ПРИМЕР 2

Задание

Определите молекулярную формулу соли с молярной массой менее 300, в которой массовые доли азота, водорода, хрома и кислорода составляют 11,11%; 3,17%; 41,27% и 44,44% соответственно.

Решение

Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов азота в молекуле через «х», число атомов водорода через «у», число атомов хрома за «z» и число атомов кислорода за «k».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(N) = 14; Ar(H) = 1; Ar(Cr) = 52; Ar(O) = 16.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y:z:k = m(N)/Ar(N) : m(H)/Ar(H) : m(Cr)/Ar(Cr) : m(O)/Ar(O);

x:y:z:k= 11,11/14 :3,17/1 :41,27/52 : 44,44/16;

x:y:z:k= 0,79 : 3,17 : 0,79 : 2,78 = 1: 4 : 1 : 3,5 = 2 : 8: 2 : 7.

Значит простейшая формула соединения азота, водорода, хрома и кислорода имеет вид N₂H₈Cr₂O₇ или (NH₄)₂Cr₂O₇. Это дихромат аммония.