Нахождение молекулярной формулы углеводорода. Методы решения задач по химии

В некоторых задачах элементный состав искомого вещества не очевиден из текста условия. Чаще всего это касается реакций горения органических веществ. Неопределенность состава обычно связана с возможностью наличия кислорода в сгоревшем веществе. В первом шаге решения таких задач необходимо путем расчета выявить элементный состав искомого вещества.

Задача 2.11.
В результате сжигания 1,74 г органического соединения получено 5,58 г смеси СО 2 и Н 2 О. Количества веществ СО 2 и Н 2 О в этой смеси оказались равными. Определите молекулярную формулу органического соединения, если относительная плотность его паров по кислороду равна 1,8125.
Дано:
масса органического соединения: m орг в.ва = 1,74 г;
суммарная масса продуктов р-ции: m(СО 2) + m(Н 2 О) = 5,58 г;
соотношение количеств веществ продуктов р-ции: n (СО 2) = n (Н 2 О);
относительная плотность паров исходного вещества по кислороду: D(O 2) = 1,8125.
Найти: молекулярную формулу сгоревшего соединения.
Решение:
Шаг 1. Класс сгоревшего органического соединения не указан, поэтому об элементном составе можно судить только по продуктам реакции. Углерод и водород входили в состав сгоревшего вещества однозначно, так как эти элементы присутствуют в продуктах горения, а из воздуха принимал участие в реакции только кислород. Причем весь углерод и весь водород полностью перешли из исходного вещества в СО 2 и Н 2 О. Возможно, в состав искомого соединения также входил кислород.
Прояснить ситуацию с наличием или отсутствием кислорода можно по данным из условия задачи. Нам известна масса сгоревшего органического соединения и количественные данные,
относящиеся к продуктам. Очевидно, что если суммарная масса углерода из СО 2 и водорода из Н 2 О окажется равной массе исходного органического вещества, то кислорода в его составе не было. В ином случае, если

m[(С)(в СO 2)] + m[(Н)(в Н 2 О)] > m орг. в-ва

кислород входил в состав исходного вещества, причем его масса определится по разности:

m орг. в-ва – m(С)(в СО 2) – m(Н)(в Н 2 О) = m(O)(в исх. в-ве).

Определим массу углерода и водорода в продуктах реакции и сравним ее с массой исходного вещества.
1. В условии указана информация о суммарной массе продуктов реакции, и поэтому, в первую очередь, нам необходимо выявить массы каждого из продуктов по отдельности. Для этого обозначим количество вещества образовавшегося углекислого газа величиной «а ». Тогда, согласно условию:

n(СО 2) = n(Н 2 О) = а моль.

Используя величину «а» как известную, найдем массу СО 2 и Н 2 О:

m(СО 2) = М(СО 2) . n (СО 2) = (44 . а) г,
m(Н 2 О) = М(Н 2 O) . n (Н 2 О) = (18 . а) г.

Суммируем полученные выражения и приравниваем к значению общей массы продуктов реакции из условия:

(44 . а ) + (18 . а ) = 5,58.

Получили математическое уравнение с одним неизвестным. Решая его, находим значение неизвестной величины: а = 0,09.

Этим значением мы обозначали количество вещества каждого из продуктов:

n (СО 2) = n (Н 2 О) = 0,09 моль.

2. Найдем массу углерода в СО2 по алгоритму:

n(СO 2) ---> n(С)(в СО 2) ---> m(С)(в СО 2)
n(С)(в СO 2) = n(СO 2) = 0,09 моль (по индексам в формуле).
m(С)(в СO 2) = n(С)(в СO 2) . М(С) = 0,09 . 12 = 1,08 г = m(С)(в исх. в-ве)

3. Найдем массу водорода в образовавшейся воде по алгоритму:

n(Н 2 О) ---> n(Н)(в Н 2 О) ---> m(Н)(в Н 2 О)
n(Н) (в Н 2 О) > n(Н 2 О) в 2 раза (по индексам в формуле)
n(Н)(в Н 2 О) = 2 . n(Н 2 О) = 2 . 0,09 = 0,18 моль
m(Н)(в Н2O) = n(Н)(в Н2O) . М(H) = 0,18 . 1 = 0,18 г =m(Н)(в исх. в-ве)

4. Сравниваем суммарную массу углерода и водорода с массой исходного вещества:

m(С)(в СO 2) + m(Н)(в Н 2 О) = 1,08 + 0,18 = 1,26 г;
m орг. в-ва = 1,74 г.
m(С)(в СO 2) + m(Н)(в Н 2 О) > m орг. в.в-а,

следовательно, кислород входит в состав исходного вещества.

m(О)(в исх. в-ве) = m орг. в-ва – m(С)(в СО 2) – m(Н)(в Н 2 О) = 1,74 -1,26 = 0,48 г.

5. Итак, в исходном веществе содержится: углерод, водород и кислород.
Дальнейшие действия ничем не отличатся от примеров ранее рассмотренных задач. Обозначим искомое вещество как С х Н у О z .

Шаг 2. Составим схему реакции горения:

С х Н у О z . + О 2 ---> СО 2 + Н 2 О

Шаг 3. Определим соотношения количеств вещества (n ) углерода, водорода и кислорода в исходном образце органического вещества. Количество вещества углерода и водорода мы уже определили в первом шаге.
Количества вещества (n ) кислорода найдем по данным о его массе:

Шаг 4. Находим простейшую формулу:

N(С) : N(Н) : N(О) = 0,09: 0,18: 0,03

Выбираем наименьшее значение (в данном случае «0,03») и делим на него все три числа:

Получили набор наименьших целых чисел:

N(С) : N(Н) : N(О) = 3: 6:1

Это дает возможность записать простейшую формулу: С 3 Н 6 О 1

Шаг 5. Выявление истинной формулы.
По данным об относительной плотности паров искомого вещества по кислороду определяем истинную молярную массу:

M истин. = D(О 2) . М(О 2) = 1,8125 . 32 = 58 г/моль.

Определим значение молярной массы для простейшей формулы:

М прост. = 3 .12 + 6 . 1 +1 . 16 = 58 г/моль.

М прост. = M истин. следовательно, простейшая формула является истинной.

С 3 Н 6 О - молекулярная формула сгоревшего вещества.

Ответ: С 3 Н 6 О.

Определение формулы вещества по массовым долям химических элементов (результатам количественного анализа) или по общей формуле вещества

1. Массовая доля элемента в веществе.
Массовая доля элемента - это его содержание в веществе в процентах по массе. Например, в веществе состава С2Н4 содержится 2 атома углерода и 4 атома водорода . Если взять 1 молекулу такого вещества, то его молекулярная масса будет равна:
Мr(С2Н4) = 2 12 + 4 1 = 28 а. е.м. и там содержится 2 12 а. е.м. углерода.

Чтобы найти массовую долю углерода в этом веществе, надо его массу разделить на массу всего вещества:
ω(C) = 12 2 / 28 = 0,857 или 85,7%.
Если вещество имеет общую формулу СхНуОz, то массовые доли каждого их атомов так же равны отношению их массы к массе всего вещества. Масса х атомов С равна - 12х, масса у атомов Н - у, масса z атомов кислорода - 16z.
Тогда
ω(C) = 12 х / (12х + у + 16z)

Формулу для нахождение массовой доли элемента в веществе:

ωэлемента = , × 100 %

где Аr –относительная атомная масса элемента; n – количество атомов элемента в веществе; Мr – относительная молекулярная масса всего вещеста

2. Молекулярная и простейшая формула вещества.
Молекулярная (истинная) формула - формула, в которой отражается реальное число атомов каждого вида, входящих в молекулу вещества.
Например, С6Н6 - истинная формула бензола.
Простейшая (эмпирическая) формула - показывает соотношение атомов в веществе. Например, для бензола соотношение С:Н = 1:1, т. е. простейшая формула бензола - СН. Молекулярная формула может совпадать с простейшей или быть кратной ей.

3. Если в задаче даны только массовые доли элементов , то в процессе решения задачи можно вычислить только простейшую формулу вещества. Для получения истинной формулы в задаче обычно даются дополнительные данные - молярная масса, относительная или абсолютная плотность вещества или другие данные, с помощью которых можно определить молярную массу вещества.

4. Относительная плотность газа Х по газу У - DпоУ(Х).
Относительная плотность D - это величина, которая показывает, во сколько раз газ Х тяжелее газа У. Её рассчитывают как отношение молярных масс газов Х и У:
DпоУ(Х) = М(Х) / М(У)
Часто для расчетов используют относительные плотности газов по водороду и по воздуху .
Относительная плотность газа Х по водороду:
Dпо H2 = M(газа Х) / M(H2) = M(газа Х) / 2
Воздух - это смесь газов, поэтому для него можно рассчитать только среднюю молярную массу. Её величина принята за 29 г/моль (исходя из примерного усреднённого состава). Поэтому:
Dпо возд. = М(газа Х) / 29

5. Абсолютная плотность газа при нормальных условиях.
Абсолютная плотность газа - это масса 1 л газа при нормальных условиях. Обычно для газов её измеряют в г/л.
ρ = m(газа) / V(газа)
Если взять 1 моль газа, то тогда: ρ = М / Vm,
а молярную массу газа можно найти, умножая плотность на молярный объём.

Задача 1: Определить формулу вещества, если оно содержит 84,21% С и 15,79% Н и имеет относительную плотность по воздуху, равную 3,93.

1. Пусть масса вещества равна 100 г. Тогда масса С будет равна 84,21 г, а масса Н - 15,79 г.

2. Найдём количество вещества каждого атома:
ν(C) = m / M = 84,21 / 12 = 7,0175 моль,
ν(H) = 15,79 / 1 = 15,79 моль.

3. Определяем мольное соотношение атомов С и Н:
С: Н = 7,0175: 15,79 (поделим оба числа на меньшее) = 1: 2,25 (будем домножать на 1, 2,3,4 и т. п. пока после запятой не появится 0 или 9. В данной задаче нужно домножить на 4) = 4: 9.
Таким образом, простейшая формула - С4Н9.

4. По относительной плотности рассчитаем молярную массу:
М = D(возд.) 29 = 114 г/моль.
Молярная масса, соответствующая простейшей формуле С4Н9 - 57 г/моль, это в 2 раза меньше истинно молярной массы.
Значит, истинная формула - С8Н18.

Задача 2 : Определить формулу алкина с плотностью 2,41 г/л при нормальных условиях.

Общая формула алкина СnH2n−2
Как, имея плотность газообразного алкина, найти его молярную массу? Плотность ρ - это масса 1 литра газа при нормальных условиях.
Так как 1 моль вещества занимает объём 22,4 л, то необходимо узнать, сколько весят 22,4 л такого газа:
M = (плотность ρ) (молярный объём Vm) = 2,41 г/л 22,4 л/моль = 54 г/моль.
Далее, составим уравнение, связывающее молярную массу и n:
14 n − 2 = 54, n = 4.
Значит, алкин имеет формулу С4Н6.

Задача 3 : Определить формулу дихлоралкана, содержащего 31,86 % углерода.

Общая формула дихлоралкана: СnH2nCl2, там 2 атома 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 = n 12 / (14n + 71)
n = 3, вещество - дихлорпропан. С3Н6Cl2

С задачами на вывод химической формулы вещества учащиеся встречаются при прохождении программы химии с 8 по 11 классы. К тому же, данный тип задач довольно часто встречается в олимпиадных заданиях, контрольно – измерительных материалах ЕГЭ (части В и С). Диапазон сложности данных задач достаточно широк. Как показывает опыт, у школьников часто возникают затруднения уже на первых этапах решения при выводе молярной массы вещества.

В данной разработке предлагаются задачи на нахождение формулы вещества, исходя из разных параметров в условиях. В представленных задачах приведены различные способы нахождения молярной массы вещества. Задачи составлены таким образом, чтобы учащиеся могли освоить оптимальные методы и различные варианты решения. Наглядно демонстрируются наиболее общие приёмы решений. Для учащихся предлагаются решённые задачи по принципу нарастания сложности и задачи для самостоятельного решения.

Приводится пример решения задачи на применение уравнения Менделеева – Клайперона

Массовая доля кислорода в одноосновной аминокислоте равна 42,67%. Установите молекулярную формулу кислоты.

Относительная плотность углеводорода по водороду, имеющего состав: w(С) = 85,7 %; w (Н) = 14,3 %, равна 21. Выведите молекулярную формулу углеводорода.

Определите молекулярную формулу алкана, если известно, что его пары в 2,5 раза тяжелее аргона.

Массовая доля углерода в соединении равна 39,97 %, водорода 6, 73 %, кислорода 53,30 %. Масса 300 мл. (н.у.) этого соединения равна 2,41 г. Выведите молекулярную формулу этого вещества.

Области

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Mr (CхHy) = DN2·28, где DN2 -относительная плотность по азоту

Mr (CхHy) = DО2·32, где DО2 - относительная плотность по кислороду

Mr (CхHy) = r ·22,4, где r абсолютная плотность (г/мл)

ПРИМЕР 1 Алкан имеет плотность паров по кислороду 2,25. Определить его относительную молекулярную массу.

Вычислить относительную молекулярную массу Mr(CхHy) по относительной плотности: Mr (CхHy) = DО2·32 ,

Mr (CхHy) = 2,25·32 = 72

Решение расчетных задач на вывод молекулярной формулы вещества по массовым долям элементов

Задача 1. Найти молекулярную формулу вещества, содержащего 81,8% углерода и 18,2% водорода. Относительная плотность вещества по азоту равна 1,57.

1. Записать условие задачи.

https://pandia.ru/text/78/558/images/image002_199.jpg" width="220" height="54 src=">

3. Найти индексы х и y по отношению:

https://pandia.ru/text/78/558/images/image005_123.jpg" width="282" height="70 src=">

2. Найти массовую долю водорода:

https://pandia.ru/text/78/558/images/image007_103.jpg" width="303" height="41 src=">

следовательно, простейшая формула – C2H5.

4. Найти истинную формулу. Поскольку общая формула алканов СnH2n+2, то истинная формула – С4Н10.

Задания для самостоятельной работы

Решить задачи

1. Органическое вещество содержит 84,21% углерода и 15,79% водорода. Плотность паров вещества по воздуху 3,93. Определить формулу вещества.

2. Найти молекулярную формулу предельного углеводорода, массовая доля углерода в котором 83,3%. Относительная плотность паров вещества – 2,59

3. Алкан имеет плотность паров по воздуху 4,414. Определить формулу алкана.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Габриелян. 10, 11 кл. – М., Дрофа. 2008.

2. , Фельдман -8, 9. М.: Просвещение, 1990;

3. Глинка химия. Л.: Химия, 1988;

4. Макареня химию. М.: Высшая школа, 1989;

5. Романцева задач и упражнений по общей химии. М.: Высшая школа, 1991.