Молекулярная формула вещества: как определить и найти

1.Понятие простейшей и истинной формулы вещества

В одних задачах для определения формулы вещества необходимо найти его простейшую формулу, а в других — реальную. В чем разница?

Простейшая или, другими словами, эмпирическая формула указывает соотношение атомов в молекуле (или в единице формулы, если это нековалентное соединение).

Так, например: CH2 — простейшая формула алкенов — показывает, что на каждый атом углерода приходится 2 атома водорода. То есть существует соотношение 1: 2. Поэтому, чтобы найти простейшую (эмпирическую) формулу вещества, важно вычислить количество вещества атомов, составляющих его состав, то есть n (C) и n (H).

Истинная, или иначе молекулярная, формула отражает действительное количество атомов всех элементов в молекуле.

Например, для пропилена, который принадлежит к классу алкенов, истинная (молекулярная) формула — C3H6. В нем говорится, что в молекулу этого вещества входят 3 атома C и 6 атомов H. Это вполне согласуется с простейшей формулой, соответствующей соотношению атомов 1: 2. Чтобы найти истинную (молекулярную) формулу соединения, необходимо рассчитайте его относительную молекулярную массу (Mr) или молярную (M).

Определение формул веществ по продуктам сгорания.

В задачах горения количество элементов, входящих в состав исследуемого вещества, определяется объемом и массой продуктов сгорания: углекислого газа, воды, азота и других. В остальном решение такое же, как и для первого типа проблемы.

1. Пример 5.
   было сожжено 448 мл (на.о.) нециклического насыщенного газообразного углеводорода, и продукты реакции пропустили через избыток известковой воды, образуя 8 г осадка. Какой углеводород был взят?

Пример решения 5.

1. Общая формула газообразного насыщенного нециклического углеводорода (алкана): CnH2n + 2
   Итак, схема реакции горения выглядит так:
   CnH2n + 2 + О2 → CO2 + H2O
   легко видеть, что при сжигании 1 моля алкана выделяется n моль диоксида углерода.
   Находим количество алкана исходя из его объема (не забудьте перевести миллилитры в литры!):
   (CnH2n + 2) = 0,488 / 22,4 = 0,02 моль.
2. Когда углекислый газ пропускают через известковую воду Ca (OH) 2, карбонат кальция выпадает в осадок:
   CO2 + Ca (OH) 2 = CaCO3 + H2O
   Масса осадка карбоната кальция — 8 г, молярная масса карбоната кальция — 100 г / моль.
   Следовательно, его количество вещества
   (CaCO3) = 8/100 = 0,08 моль.
   Количество углекислого газа также составляет 0,08 моль.
3. Количество углекислого газа в 4 раза выше, чем у алкана, что означает, что формула алкана — C4H10.

Ответ: С4Н10.

1. Пример 6.
   Относительная плотность паров органического соединения по отношению к азоту составляет 2. При сжигании 9,8 г этого соединения образуется 15,68 л диоксида углерода (na) и 12,6 г воды. Получите молекулярную формулу органического соединения.

Решение примера 6.

Поскольку вещество при горении превращается в углекислый газ и воду, это означает, что оно состоит из атомов C, H и, возможно, O. Следовательно, его общую формулу можно записать как CxHyOz.

1. Можно записать схему реакции горения (не вводя коэффициенты):
   CxHyOz + O2 → CO2 + H2O
   Весь углерод в исходном веществе переходит в диоксид углерода, а весь водород уходит в воду.
2. Находим количества веществ CO2 и H2O и определяем, сколько молей атомов C и H они содержат:
   (CO2) = V / Vm = 15,68 / 22,4 = 0,7 моль.
   На молекулу CO2 приходится один атом углерода, что означает, что углерода столько же, сколько и CO2. (C) = 0,7 моль
   (H2O) = m / M = 12,6 / 18 = 0,7 моль.Молекула воды содержит два атома H, а это означает, что количество водорода в два раза больше, чем воды.
   (H) = 0,7 * 2 = 1,4 моль.
3. Проверяем наличие кислорода в веществе. Для этого нужно вычесть массы C и H из массы всего исходного вещества.
   m (C) = 0,7 * 12 = 8,4 г, m (H) = 1,4 * 1 = 1,4 г
   Масса всего вещества 9,8 г.
   m (O) = 9,8 — 8,4 — 1,4 = 0, т.е в этом веществе нет атомов кислорода.
   Если бы кислород присутствовал в данном веществе, то по его массе можно было бы найти количество вещества и вычислить простейшую формулу, основанную на наличии трех разных атомов.
4. Дальнейшие действия вам уже знакомы — поиск наиболее простых и верных формул.
   С: Н = 0,7: 1,4 = 1: 2
   Самая простая формула — CH2.
5. Истинную молярную массу ищем по относительной плотности газа в азоте (не забывайте, что азот состоит из двухатомных молекул N2 и его молярная масса составляет 28 г / моль):
   Туман. = D для N2 • M (N2) = 2 • 28 = 56 г / моль.
   Настоящая формула — CH2, его молярная масса — 14.
   56/14 = 4.
   Настоящая формула — C4H8.

Ответ: С4Н8.

1. Пример 7.
   Определите молекулярную формулу вещества, которое при сгорании 9 г дает 17,6 г CO2, 12,6 г воды и азота. Относительная плотность этого вещества для водорода 22,5. Определите молекулярную формулу вещества.

Решение примера 7.

1. Вещество содержит атомы C, H и N. Поскольку масса азота в продуктах сгорания не указана, ее придется рассчитывать из массы всего органического вещества.
   Схема реакции горения:
   CxHyNz + O2 → CO2 + H2O + N2
2. Находим количества веществ CO2 и H2O и определяем, сколько молей атомов C и H они содержат: ν (CO2) = m / M = 17,6 / 44 = 0,4 моль.
   (C) = 0,4 моль.
   (H2O) = m / M = 12,6 / 18 = 0,7 моль.
   (H) = 0,7 * 2 = 1,4 моль.
3. Найдите массу азота в исходном материале.
   Для этого из массы всего исходного вещества необходимо вычесть массы C и H m (C) = 0,4 x 12 = 4,8 г,
   м (H) = 1,4 * 1 = 1,4 гМасса всего вещества 9,8 г.m (N) = 9 — 4,8 — 1,4 = 2,8 г ,
   (N) = m / M = 2,8 / 14 = 0,2 моль.
4. С: Н: N = 0,4: 1,4: 0,2 = 2: 7: 1
   Самая простая формула — C2H7N.
   Истинная молярная масса
   M = Dpo H2 • M (H2) = 22,5 • 2 = 45 г / моль.
   Совпадает с молярной массой, рассчитанной по простейшей формуле. То есть это истинная формула вещества.

Ответ: C2H7N.

1. Пример 8.
   Вещество содержит C, H, O и S. При сгорании его 11 г выделилось 8,8 г CO2, 5,4 г H2O, а сера полностью превратилась в сульфат бария, масса оказалась 23,3 г. Определите формулу вещества.

Решение примера 8.

Формула для данного вещества может быть представлена ​​как CxHySzOk. При сгорании образуются диоксид углерода, вода и диоксид серы, которые затем превращаются в сульфат бария. В результате вся сера из исходного материала превращается в сульфат бария.

1. Находим количества углекислого газа, воды и веществ сульфата бария и соответствующих химических элементов из исследуемого вещества: ν (CO2) = m / M = 8,8 / 44 = 0,2 моль.
   (C) = 0,2 моль.
   (H2O) = m / M = 5,4 / 18 = 0,3 моль.
   (H) = 0,6 моль.
   (BaSO4) = 23,3 / 233 = 0,1 моль.
   (S) = 0,1 моль.
2. Рассчитываем расчетную массу кислорода в исходном материале: m (C) = 0,2 • 12 = 2,4 г
   м (H) = 0,6 * 1 = 0,6 г
   m (S) = 0,1 • 32 = 3,2 г
   m (O) = m вещество — m (C) — m (H) — m (S) = 11 — 2,4 — 0,6 — 3,2 = 4,8 г,
   (O) = m / M = 4,8 / 16 = 0,3 моль
3. Находим мольное соотношение элементов в веществе:
   C: H: S: O = 0,2: 0,6: 0,1: 0,3 = 2: 6: 1: 3
   Формула вещества — C2H6SO3.
   Следует отметить, что таким образом мы получили только простейшую формулу.
   Однако полученная формула верна, поскольку при попытке удвоить эту формулу (C4H12S2O6) оказывается, что на 4 атома углерода приходится 12 атомов H, а также сера и кислород, а это невозможно.

Ответ: C2H6SO3.

Необходимые теоретические сведения.

1. Массовая доля элемента в веществе.
   Массовая доля элемента — это его содержание в веществе в процентах по массе.
   Например, вещество состава C2H4 содержит 2 атома углерода и 4 атома водорода. Если взять 1 молекулу этого вещества, ее молекулярная масса будет равна:
   Mr (C2H4) = 2 * 12 + 4 * 1 = 28 а.е.м и содержит 2 • 12 а.е.м углерода.Чтобы найти массовую долю углерода в этом веществе, необходимо его массу разделить на массу всего вещества:
   (C) = 12 * 2/28 = 0,857 или 85,7%.
   Если вещество имеет общую формулу CxHyOz, то массовые доли каждого из его атомов также равны отношению их массы к массе всего вещества. Масса x атомов C составляет -12x, масса атомов H равна y, масса z атомов кислорода составляет 16z.
   А потом
   (C) = 12 • x / (12x + y + 16z)Если написать эту формулу в общем виде, получится следующее выражение:

   Массовая доля атома E в веществе   =	Атомная масса атома E	•	число атомов E в	молекула
   Ar (E) • z
   ——————
   Мистер (что.)
   Молекулярный вес вещества

2. Молекулярная формула и проще вещества.Молекулярная формула (истинная) — формула, отражающая реальное количество атомов каждого типа, входящих в молекулу вещества.
   Например, C6H6 — истинная формула бензола.
   Простейшая (эмпирическая) формула показывает взаимосвязь между атомами в веществе.
   Например, для бензола соотношение C: H = 1: 1, то есть простейшая формула бензола — CH.
   Молекулярная формула может совпадать с простейшей или быть кратной ей.Примеры.

   Вещество	Молекулярная формула	Соотношение атомов	Самая простая формула
   Этиловый спирт	C2H6O	S: N: O = 2: 6: 1	C2H6O
   Бутен	C4H8	С: Н = 1: 2	CH2
   Уксусная кислота	C2H4O2	S: N: O = 1: 2: 1	CH2O

   Если в задаче заданы только массовые доли элементов, в процессе решения задачи можно рассчитать только простейшую формулу вещества. Чтобы получить истинную формулу задачи, обычно предоставляются дополнительные данные: молярная масса, относительная или абсолютная плотность вещества или другие данные, которые можно использовать для определения молярной массы вещества.

3. Относительная плотность газа X для газа Y — DpoU (X).
   Относительная плотность D — это величина, которая показывает, во сколько раз газ X тяжелее газа Y. Она рассчитывается как отношение молярных масс газов X и Y:
   DpoU (X) = M (X) / M (Y)
   Относительные плотности газов в водороде и воздухе часто используются для расчетов.
   Относительная плотность газа X для водорода:
   Dby H2 = M (газ X) / M (H2) = M (газ X) / 2
   Воздух — это газовая смесь, поэтому для него можно рассчитать только среднюю молярную массу. Его значение принято равным 29 г / моль (исходя из примерного среднего состава).
   Нравится:
   D самолетом = M (газ X) / 29
4. Абсолютная плотность газа при нормальных условиях.Абсолютная плотность газа — это масса 1 литра газа при нормальных условиях. Обычно для газов он измеряется в г / л.
   ρ = m (газ) / V (газ)
   Если взять 1 моль газа, то:
   = M / Vm,
   а молярная масса газа может быть найдена умножением плотности на молярный объем.
5. Общие формулы веществ разных классов.
   Часто для решения проблем с химическими реакциями удобно использовать не обычную общую формулу, а формулу, в которой кратная связь или функциональная группа идентифицируются отдельно.

   Органический класс	Общая молекулярная формула	Формула с выделенной кратной связью и функциональной группой
   Алканы	CnH2n + 2	—
   Алкенес	CnH2n	CnH2n + 1 — СН = СН2
   Альчино	CnH2n — 2	CnH2n + 1 — C≡CH
   Dieni	CnH2n — 2	—
   Омологации бензола	CnH2n — 6	6Н5 — СnH2n + 1
   Одновалентные насыщенные спирты	CnH2n + 2O	CnH2n + 1 — ОН
   Поливалентные спирты	CnH2n + 2Ox	CnH2n + 2 — х (ОН) х
   Ограничьте альдегиды	CnH2nO	Ой // CnH2n + 1– C– ЧАС
   Кетоны	CnH2nO	Ой // CnH2n + 1– C– О — CmH2m + 1
   Фенолы	CnH2n — 6O	6Н5 (СnH2n) –OH
   Насыщенные карбоновые кислоты	CnH2nO2	Ой // CnH2n + 1– C– ОЙ
   Иностранный	CnH2nO2	Ой // CnH2n + 1– C– О — CmH2m + 1
   Амины	CnH2n + 3N	NH2n + 1NH2
   Аминокислоты (одноосновные лимитирующие)	CnH2n + 1NO2	Ой // NH2– CH– C– ОЙ С нГ 2n + 1

Определение формул веществ по массовым долям атомов, входящих в его состав.

Решение этих проблем состоит из двух частей:

• сначала находят молярное соотношение атомов в веществе — оно соответствует его простейшей формуле. Например, для вещества состава AxBy соотношение между количествами веществ A и B соответствует отношению количества их атомов в молекуле:
  х: у = п (А): п (В);
• затем, используя молярную массу вещества, определите его истинную формулу.

1. Пример 1.
   Определите формулу вещества, если оно содержит 84,21% C и 15,79% H и имеет относительную плотность в воздухе 3,93.

Решение примера 1.

1. Пусть масса вещества равна 100 г, тогда масса C будет равна 84,21 г, а масса H — 15,79 г.
2. Находим количество вещества в каждом атоме:
   (C) = m / M = 84,21 / 12 = 7,0175 моль,
   (H) = 15,79 / 1 = 15,79 моль.
3. Определите мольное соотношение атомов C и H:
   C: H = 7,0175: 15,79 (уменьшить оба числа до меньшего) = 1: 2,25 (умножить на 4) = 4: 9.
   Следовательно, самая простая формула — C4H9.
4. Исходя из относительной плотности, рассчитываем молярную массу:
   M = D (воздух) • 29 = 114 г / моль.
   Молярная масса, соответствующая простейшей формуле C4H9, составляет 57 г / моль, что в 2 раза меньше истинной молярной массы.
   Следовательно, настоящая формула — C8H18.

Есть гораздо более простой способ решения такой проблемы, но, к сожалению, они не дадут полную оценку. Но он подходит для проверки реальной формулы, т.е с его помощью вы можете проверить свое решение.

Метод 2: Найдите истинную молярную массу (114 г / моль), затем найдите массы атомов углерода и водорода в этом веществе на основе их массовых долей.
m (C) = 114 х 0,8421 = 96; количество атомов C 96/12 = 8
m (H) = 114 * 0,1579 = 18; то есть количество атомов H составляет 18/1 = 18.
Формула вещества — C8H18.

Ответ: С8Н18.

1. Пример 2.
   Определите формулу для алкина с плотностью 2,41 г / л при нормальных условиях.

Решение примера 2.

Общая формула алкина СnH2n — 2
Как, учитывая плотность алкинского газа, найти его молярную массу? Плотность — это масса 1 литра газа при нормальных условиях.
Поскольку 1 моль вещества занимает объем 22,4 литра, необходимо выяснить, сколько весит 22,4 литра такого газа:
M = (плотность ρ) • (молярный объем Vm) = 2,41 г / л • 22,4 л / моль = 54 г / моль.
Итак, давайте составим уравнение, которое связывает молярную массу с n:
14 • n — 2 = 54, n = 4.
Следовательно, алкин имеет формулу C4H6.

Ответ: С4Н6.

1. Пример 3.
   Определите предельную формулу альдегида, если известно, что 3 × 1022 молекулы этого альдегида весят 4,3 г.

Решение примера 3.

В этой задаче указано количество молекул и соответствующая масса. На основании этих данных мы должны найти значение молярной массы вещества.
Для этого необходимо помнить, сколько молекул содержится в 1 моль вещества.
Это число Авогадро: Na = 6,02 x 1023 (молекул).
Это означает, что вы можете найти количество альдегидного вещества:
ν = N / Na = 3 * 1022 / 6,02 * 1023 = 0,05 моль,
и молярная масса:
M = m / n = 4,3 / 0,05 = 86 г / моль.
Итак, как и в предыдущем примере, мы составляем уравнение и находим n.
Общая формула предельного альдегида — СnH2nO, т.е. М = 14n + 16 = 86, n = 5.

Ответ: С5Н10О, пентанал.

1. Пример 4.
   Определите формулу дихлоралкана, содержащего 31,86% углерода.

Пример решения 4.

Общая формула дихлоралкана: СnH2nCl2, состоит из 2 атомов хлора и n атомов углерода.
Тогда массовая доля углерода равна:
ω (C) = (число атомов C в молекуле) • (атомная масса C) / (молекулярная масса дихлоралкана)
0,3186 = п • 12 / (14 п + 71)
n = 3, вещество — дихлорпро�