Pewien jonowy związek X składa się z wapnia, z węgla i z azotu. Masa wapnia stanowi 50 % masy całego związku, a masa węgla – 15 % jego masy. Wzór empiryczny związku X jest też wzorem rzeczywistym. Anion związku X ma taką samą strukturę elektronową jak tlenek węgla(IV). 

Na podstawie obliczeń ustal i napisz wzór sumaryczny związku X. Narysuj wzór elektronowy anionu tego związku. Zaznacz kreskami wiązania chemiczne i wolne pary elektronowe.

 

---

Odpowiedź:

Wzór sumaryczny związku X: CaCN₂

Wzór elektronowy anionu: 

 

---

Wyjaśnienie:

Wiemy, że masa wapnia stanowi 50% masy związku, a masa węgla 15% - oznacza to, że masa azotu wynosi 35% masy tego związku.

Zakładamy, że masa związku wynosi m, wtedy:

$m_{\mathrm{Ca}}=0,5m\left[\mathrm{g}\right]$

$m_{\mathrm{C}}=0,15m\left[\mathrm{g}\right]$

$m_{\mathrm{N}}=0,35m\left[\mathrm{g}\right]$

Znając masy molowe pierwiastków(Ca- M = 40 g/mol, C- M = 12 g/mol, N- 14 g/mol) wyznaczamy wyrażenia na liczby ich moli w próbce związku o masie m:

$n=\frac{m}{M}$

gdzie:

n - liczba moli,

m - masa,

M - masa molowa.

$n_{\mathrm{Ca}}=\frac{m_{\mathrm{Ca}}}{M_{\mathrm{Ca}}}=\frac{0,5\cdot m\left[\mathrm{g}\right]}{40\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}\Rightarrow n_{\mathrm{Ca}}=0,0125\cdot m\left[\mathrm{mol}\right]$

$n_{\mathrm{C}}=\frac{m_{\mathrm{C}}}{M_{\mathrm{C}}}=\frac{0,15\cdot m\left[\mathrm{g}\right]}{12\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}\Rightarrow n_{\mathrm{C}}=0,0125\cdot m\left[\mathrm{mol}\right]$

$n_{\mathrm{N}}=\frac{m_{\mathrm{N}}}{M_{\mathrm{N}}}=\frac{0,35\cdot m\left[\mathrm{g}\right]}{14\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}\Rightarrow n_{\mathrm{N}}=0,025\cdot m\left[\mathrm{mol}\right]$

Obliczamy stosunki molowe:

• wapnia do węgla:

$\frac{n_{\mathrm{Ca}}}{n_{\mathrm{C}}}=\frac{0,0125\cdot m}{0,0125\cdot m}=\frac{1}{1}$

• wapnia do azotu:

$\frac{n_{\mathrm{Ca}}}{n_{\mathrm{N}}}=\frac{0,0125\cdot m}{0,025\cdot m}=\frac{1}{2}$

Otrzymujemy stosunek atomów w związku:

$n_{\mathrm{Ca}}:n_{\mathrm{C}}:n_{\mathrm{N}}=1:1:2$

Wzór empiryczny związku jest jego wzorem sumarycznym, zatem szukanym związkiem jest: CaCN₂. Wapń jest dwuwartościowy. W wyniku dysocjacji tego związku będzie zatem powstawał jon o wzorze CN₂^2-, którego konfiguracja elektronowa jest analogiczna do CO₂.

Rysujemy wzór elektronowy cząsteczki tlenku węgla(IV):

Na jego podstawie zaczynamy konstrukcje wzoru elektronowego jonu CN₂^2-. Zaczynamy od zapisania atomów węgla i azotu oraz konfiguracji ich elektronów walencyjnych:

Tworzymy wiązania kowalencyjne:

Aby obie struktury miały taką samą strukturę elektronową potrzebujemy jeszcze dodatkowych wolnych par elektronowych na atomach azotu. Otrzymamy je dodając 2 elektrony, dzięki czemu równocześnie nadajemy powyższemu jonowi ładunek ujemny: