Podstawowe obliczenia w chemii nieorganicznej

Chemia nieorganiczna to zazwyczaj dział cieszący się nienajlepszą sławą wśród Was. Powodów ku temu jest wiele, ale myślę, że jeden z nich wysuwa się na pierwszy plan. Z pozoru może się wydawać, że trzeba się nauczyć na pamięć Bielańskiego i potem robić zadania. Na szczęście jest to prawda w dziesięciu procentach.

Owszem, musicie przyswoić sobie podstawową wiedzę o pierwiastkach, ale jest to wiedza naprawdę podstawowa. O tym będzie w innych wpisach, gdzie będę wrzucał m.in opracowania pierwiastków. Do tego będą przykładowe zadania ,,olimpijskie” mojego autorstwa celem utrwalenia wiedzy. Dokładnie o tym będę jeszcze pisał.

Póki co, musimy nauczyć się liczyć, bo to jest najważniejsze. Mając absolutnie elementarną wiedzę w połączeniu z silnym zapleczem obliczeniowym, zrobimy zadanie 2. na co najmniej 14- 16 pkt, co jest wynikiem bardzo dobrym.

Główna zasada – staraj się wyciągnąć maksimum informacji z danych w zadaniu! Nie zawsze olimpiada i kolejne podpunkty w zadaniu będą nas ,,prowadzić za rączkę”.  Nie ukrywam, że często tak się zdarza, czyli :

a) najpierw oblicz to

 b)potem oblicz to

c) a teraz, korzystając z tego co obliczyłeś wcześniej, policz tamto itd.

Czasem musimy sami wykazać się sprytem i zamiast wkuwać na pałę kolejne strony Bielańskiego, zaaplikuj trochę rozkminy w brudnopisie. Czas w domu poświęć na trzaskanie kolejnych zadań, nie na przyswajanie wiedzy, która i tak za chwilę wyleci. (Oczywiście po przerobieniu podstaw). 

Zmierzmy się z następującym zadaniem.

ZADANIE 1.

Pewien tlenek X zawiera 27,64% masowych tlenu. (Podaj wzór tego tlenku).

Na Olimpiadzie wygląda to tak : będziecie mieli w większości przypadków podane tylko pierwsze zdanie, to w nawiasie powinniście od dziś dopowiadać sobie sami! Bo ten procent masowy posłuży im tylko do sprawdzenia czy rzeczywiście obliczyli dobrze. A więc po jakichś tam właściwościach tlenku X, czy jakiegoś pierwiastka w nim zawartego, zgadną sobie, jaki tam się skrywa metal/niemetal i nagle zadanie robi się licealne.

Kto ma taką ochotę – proszę bardzo, można czytać te 400 stron z Bielańskiego, naprawdę szanuję. Zresztą sam to kiedyś zrobiłem 2 razy, ale uważam, że niewiele to zmieniło w umiejętności rozwiązywania tych specyficznych, olchemowskich zadań w porównaniu do poprawy jaką uzyskałem z każdym kolejnym rozwiązanym zadaniem. Po prostu relacja : czas-efekt jest tutaj dużo bardziej korzystna.

Do rzeczy.

Rozwiązanie zadania :

Zadanie z pozoru może wydawać się trudne. Często przecież spotykamy się z zadaniem gdzie znamy cały skład pierwiastkowy wraz z odpowiadającymi zawartościami procentowymi, a tutaj rośnie nam poważny problem,  ponieważ nie znamy pierwiastka.

Należy to zadanie rozwiązać metodą prób i błędów, ale nie zajmuje ona tutaj wiele czasu (i nie powinna!)

Niech wzór tlenku to  \(E_{x}O_{y} \)

Uwaga! Należy wystrzegać się automatycznego zakładania stopnia utlenienia tlenu na (-II) ! Z uwagi chociażby na nadtlenki, ponadtlenki czy tlenki mieszane, gdzie przecież nie działa reguła krzyżowa! W licealnych podręcznikach można jednak trafić na takie sposoby zapisu.

Oczywistym jest, że :

\(0,2764 = \frac{masa \ tlenu}{masa \ tlenku} = \frac{16y}{xM_{E} + 16y} \)

Z tego wyznaczamy wzór na  \(M_{E} \)  czyli masę molową nieznanego pierwiastka E (uwaga, niuans : zalecam unikać zapisywania nieznanego pierwiastka jako X, żeby potem nie myliło się z ,,małym x”)

\(M_{E} \approx 41,887 \frac{y}{x} \)

Dlaczego wyznaczam wzór akurat na  \(M_{E} \) ? Dlatego, że jest to wartość, którą zawsze mogę sobie sprawdzić w układzie okresowym! Jakaś kombinacja iksów i igreków musi dać pewną wartość, która jest w układzie okresowym.

Wiadomo też, że  \(x,y \in C_{+} \)  i teraz spójrzmy na to pod kątem chemicznym. Ile jesteśmy w stanie wymyślić sobie różnych wzorów tlenków o innej kombinacji  \(x \)  oraz  \(y \) ?  Może z osiem? Więc wystarczy tylko to sprawdzić i podstawić do naszego wzoru, szukając nieznanego pierwiastka.

Przypominamy sobie dowolne tlenki, np. azotu, siarki. Dodatkowo podstawowe informacje z zakresu chemii pierwiastków. Zawsze może się przydać!

• tak zwany tlenek obojętny :  \(NO \)  :  \(x = 1 \)  oraz  \(y = 1\)
• podtlenek azotu, znany też jako gaz rozweselający :  \(N_{2}O \)  :  \(x = 2 \)  oraz  \(y = 1\)
• brunatny tlenek, w przeciwieństwie do jego bezbarwnego dimeru : \(NO_{2} \)  :  \(x = 1 \)  oraz  \(y = 2\)
• bezwodnik kwasu azotowego (\(HNO_{2}\))  :  \(N_{2}O_{3} \)  :  \(x = 2 \)  oraz  \(y = 3\)
• ciekawy tlenek, który w zależności od warunków, może mieć budowę jonową lub kowalencyjną :  \(N_{2}O_{5} \)  :  \(x = 2 \)  oraz  \(y = 5\)
• tlenek o właściwościach utleniających :  \(SO_{3} \)  :  \(x = 1 \)  oraz  \(y = 3\)
• mieszany tlenek ołowiu, zwany minią ołowianą :  \(Pb_{3}O_{4} \)  :  \(x = 3 \)  oraz  \(y = 4\)
• jakieś jeszcze?
• zauważcie też, że dla tych obliczeń, tlenki  \(NO_{2} \)  czy  \(N_{2}O_{4} \)  są takie same, bo stosunek igreka do iksa nam się nie zmienia \(\frac{y}{x} = const \)

W ten oto sposób sprawdzamy te kombinacje i tu akurat mamy największego pecha – trafiamy za ostatnim razem! Zauważcie jednak, że samo ,,strzelanie nie trwa długo”. To bardzo ważne, ponieważ wiele osób ma odczucie, że na zawodach czasu jest za mało. 

Dla  \(x = 3 \)  oraz  \(y = 4\)  mamy  \(M_{E} \approx 55,85 \)

A więc nieznanym pierwiastkiem jest żelazo, a sam tlenek to  \(Fe_{3}O_{4} \)

Zauważmy, że jest to tlenek mieszany :  \(Fe_{3}O_{4} = Fe_{2}O_{3} \cdot FeO \)  i dlatego też reguła krzyżowa tutaj nie działa!

*Przy okazji, zapamiętałbym trzy takie tlenki. Wymieniony już wcześniej tlenek ołowiu, tlenek żelaza z zadania oraz analogiczny tlenek kobaltu  \(Co_{3}O_{4} \)

Podstawy obliczeń w chemii nieorganicznej

Poznaliście teraz zupełne podstawy obliczeń w nielubianym przez wielu dziale – chemii nieorganicznej. Warto zacząć od tego właśnie zadania i zrobić kolejny przykład, który pojawi się niżej.

Co dalej? Polecam udać się tutaj :

• Podstawowe obliczenia w chemii nieorganicznej – cz. 2

Życie to tylko chemia. Tu kropla, tam strużka, a wszystko się zmienia. Niewielki łyk sfermentowanych soków i nagle człowiek zdolny jest przeżyć kolejne parę godzin.             –  Terry Pratchett

PS Dopiero wdrażam się w techniczne aspekty pisania bloga, więc na razie wstawiam ,,chemię” w postaci zdjęcia. Mam jednak nadzieję, że szybko opanuję czytelniejszą formę.

*PS zostawiam zdjęcie celem pamiątki dla samego siebie, kiedy jeszcze nie wiedziałem co to LaTeX 🙂

PS 2 Dla samodzielnego treningu :  pewien węglik zawiera około 30 procent masowych węgla. Podaj wzór tego związku. Piszcie odpowiedzi w komentarzach, najlepiej przedstawiając obliczenia.