Номер 270, страница 220 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.270. При нагревании ортофосфорной кислоты массой 25,119 г образовался твёрдый остаток массой 20,813 г, представляющий собой одну из метафос- форных кислот. Определите её молярную массу и составьте структурную формулу.

Дано:

$m(H_3PO_4) = 25,119 \text{ г}$

$m(\text{остатка}) = 20,813 \text{ г}$

В системе СИ массы будут в килограммах, но для химических расчетов удобнее использовать граммы, поэтому переводить не будем.

Найти:

$M(\text{кислоты}) - ?$

Структурная формула кислоты - ?

Решение:

При нагревании ортофосфорной кислоты происходит её дегидратация (отщепление воды). Запишем общую схему реакции:

$x H_3PO_4 \xrightarrow{t^\circ} \text{Продукт} + y H_2O$

1. Найдем массу выделившейся воды по закону сохранения массы:

$m(H_2O) = m(H_3PO_4) - m(\text{остатка}) = 25,119 \text{ г} - 20,813 \text{ г} = 4,306 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярные массы ортофосфорной кислоты и воды. Будем использовать целочисленные атомные массы: $Ar(H) = 1$, $Ar(P) = 31$, $Ar(O) = 16$.

$M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (в молях) исходной кислоты и выделившейся воды:

$\nu(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{M(H_3PO_4)} = \frac{25,119 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} \approx 0,256316 \text{ моль}$

$\nu(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{4,306 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} \approx 0,239222 \text{ моль}$

4. Найдем соотношение молей кислоты и воды, чтобы определить коэффициенты в уравнении реакции:

$\frac{\nu(H_3PO_4)}{\nu(H_2O)} = \frac{0,256316}{0,239222} \approx 1,0714...$

Это соотношение очень близко к дроби $\frac{15}{14} \approx 1,071428$. Следовательно, можно принять, что на 15 моль ортофосфорной кислоты выделяется 14 моль воды. То есть, $x = 15$, $y = 14$.

5. Составим уравнение реакции и определим формулу продукта:

$15 H_3PO_4 \rightarrow \text{Продукт} + 14 H_2O$

Для нахождения формулы продукта воспользуемся законом сохранения числа атомов каждого элемента:

• Атомы H: $15 \cdot 3 \rightarrow (\text{в продукте}) + 14 \cdot 2$. Число атомов H в продукте = $45 - 28 = 17$.
• Атомы P: $15 \cdot 1 \rightarrow (\text{в продукте})$. Число атомов P в продукте = 15.
• Атомы O: $15 \cdot 4 \rightarrow (\text{в продукте}) + 14 \cdot 1$. Число атомов O в продукте = $60 - 14 = 46$.

Таким образом, формула образовавшейся кислоты — $H_{17}P_{15}O_{46}$. Эта формула относится к классу полифосфорных кислот (общая формула $H_{n+2}P_nO_{3n+1}$, где $n=15$), а не метафосфорных (общая формула $(HPO_3)_n$), как указано в условии. Вероятно, в условии допущена неточность в терминологии.

6. Определим молярную массу полученной кислоты $H_{17}P_{15}O_{46}$:

$M(H_{17}P_{15}O_{46}) = 17 \cdot Ar(H) + 15 \cdot Ar(P) + 46 \cdot Ar(O) = 17 \cdot 1 + 15 \cdot 31 + 46 \cdot 16 = 17 + 465 + 736 = 1218 \text{ г/моль}$

7. Составим структурную формулу. Полифосфорная кислота $H_{17}P_{15}O_{46}$ представляет собой линейную цепь из 15 тетраэдров $PO_4$, соединенных между собой через атомы кислорода (кислородные мостики). Структуру можно описать следующим образом: это линейная цепь из 15 атомов фосфора, связанных 14 кислородными мостиками. Каждый атом фосфора также связан с одним терминальным атомом кислорода (двойная связь P=O). У двух концевых атомов фосфора есть по две гидроксильные группы (-OH), а у 13 внутренних атомов фосфора — по одной гидроксильной группе.

Её конденсированная структурная формула:

$(HO)_2P(O)-[O-P(O)(OH)]_{13}-O-P(O)(OH)_2$

Ответ: Молярная масса образовавшейся кислоты равна $1218 \text{ г/моль}$. Её формула $H_{17}P_{15}O_{46}$, она является полифосфорной кислотой. Структурная формула представляет собой линейную цепь из 15 фосфатных звеньев: $(HO)_2P(O)-[O-P(O)(OH)]_{13}-O-P(O)(OH)_2$.