Решение задач на определение формулы веществ

Определение формулы углеводорода

Видео:Органика. Решение задачи на определение состава вещества по продуктам его сгорания.Скачать

Задача 63.
При сгорании углеводорода было выпущено 8,8 г углекислого газа, 5,4 г воды. Относительная плотность углеводорода по воздуху равна 1,03. Определите молекулярную формулу углеводорода.
Решение:
D_(Возд.) = 1,03;
М(СО₂) = 44,01 г/моль;
М(Н₂О) = 18,01528 г/моль;
М_(Возд.) = 28,97 г/моль;
m(CO₂) = 8,8 г;
m(H₂O) = 5,4 г;
С_хН_у = ?
1. Молекулярная формула С_хН_у.

М(С_хН_у) = 28,97 • 1,03 = 29,8 г/моль.

2. Уравнение реакции: 

С_хН_у + О₂ ⇔  СО₂ + Н₂О

3. Определим количество углерода: 

m(СО₂) ⇒ n(СO₂) ⇒ n(С)
n(С) = m(СО₂)/М(СО₂) = 8,8/44,01 = 0,2 моль.

4. Определим количество водорода:

Используем следующий алгоритм: m(Н₂О) ⇒ n(Н₂О) ⇒ 2п(Н)

п(Н) = 2m(Н₂О)/М(Н₂О) = 5,4/18,01528 = 0,6 моль.

Запишем соотношение количеств веществ в искомом углеводороде: 

п(С): n(Н) = 0,2: 0,6.

5.  Определяем простейшую формулу С_xН_y.

N(С) : N(Н) = 0,2 : 0,6

Выбираем наименьшее значение (в данном случае 0,2) и делим на него оба числа:

N(С) : N(Н) = (0,2/0,2) : (0,6/0,2) = 1:3

Получили набор наименьших целых чисел. Это дает возможность записать простейшую формулу: С₁H₃.

6. Выявление истинной формулы.
Вещества с формулой СН₃ не существует. В истинной формуле сгоревшего углеводорода индексы будут в некоторое число раз больше, чем в простейшей. 
Определим значение молярной массы для простейшей формулы: 

М_{(прост.)} = (1•12) + (3 • 1) = 15 г/моль.

Истинная молярная масса сгоревшего вещества больше молярной массы простейшей формулы, следовательно, индексы в простейшей формуле необходимо увеличивать.
Рассчитаем индекс, т.е. во сколько раз молярная масса вещества больше молярной массы простейшей формулы:

М(С_хН_у)/М_{(прост.)} = 29,8/15 = 2.

Умножаем индексы в простейшей формуле на «2» и получаем истинную формулу: С₂Н₆ • М(С₂Н₆) = 30 г/моль.

С₂Н₆ соответствует общей формуле алкана С_nH_{(2n + 2)}, где n = 2. Эта формула соответствует этану.

Ответ: С₂Н₅ — этан.
 

Определение истинной формулы органического вещества

Задача 64.
Некоторое органическое соединение содержит 22,22% кислорода, 66,67% углерода и 11,11% водорода по массе. Известно, что вещество получается при гидратации углеводорода, который не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. Определите истинную формулу данного органического вещества
Решение:
Дано:
w(О) = 22,22%;
w(С) = 66,67%;
w(Н) = 11,11%.
Найти:
СНO = ?
Решение:
Обозначим числа атомов углерода, водорода и кислорода в простейшей формуле вещества соответственно через x, y и z. Атомные массы этих элементов равны соответственно 12, 1 и 16. Поэтому массы углерода, водорода и кислорода в составе вещества относятся как 12х : 1у : 16z. По условию задачи это отношение имеет вид: 12 : 1 : 16. Следовательно:
12х : 1у : 16z = 66,67 : 11,11 : 22,22.

Откуда

х : y : z = (66,67/12) : (11,11/1) : (22,22/16) = 5,55 : 11,11 : 1,39.

Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим все три его члена на наименьший из них, т. е. на 1,39, получим:

х : y : z = (5,55 /1,39) : (11,11/1,39) : (1,39/1,39) = 3,99 : 7,9 : 1 или 4 : 8 : 1.

Таким образом, простейшая формула вещества СxНyOz и она будет иметь вид: С₄Н₈O₁.

Так как вещество получается при гидратации углеводорода, который не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, то с учетом того, что молекула полученного при этом вещества содержит 4 атома углерода и 1 атом кислорода это вещество может быть кетоном, так как альдегид такого составе не может быть получен гидратацией углеводорода. Поэтому вещество С₄Н₈O₁ — кетон, и его структурная формула может иметь только вид: СН₃—СН₂—С (О)—СН₃.

Значит, была проведена реакция гидратации бутина-1 или бутина-2. При гидратации бутина-1 или бутина-2 происходит реакция Кучерова, в результате которой образуется бутанон (метилэтилкетон). Присоединение молекулы воды протекает по правилу Марковникова (водород присоединяется к более гидрированному атому углерода при кратной связи), альдегид образуется только при гидратации ацетилена:
CH₃—CH₂—CCH + H₂O (Hg²⁺ в Н₂SO₄) ⇒ CH₃—CH₂—C(O)—CH₃

или

CH₃—CC—СН₃ + H₂O (Hg²⁺ в Н₂SO₄) —> CH₃—CH₂—C(O)—CH₃

Ответ: истинная формула вещества имеет вид: С₄Н₈O₁.
 

Вывод формулы кристаллогидрата

Задача 65.
Массовые доли элементов в кристаллогидрате составляют: магний 9,76%, сера 13,01%, кислород 71,54%, водород 5,69%. Выведите формулу кристаллогидрата и приведите его тривиальное название.
Дано:
w(Mq) = 9,76%;
w(S) = 13,01%;
w(O) = 71,54%;
w(H) = 5,69%.
Найти:
MqхSyOzHt = ?
Решение:
Обозначим числа атомов магния, серы, кислорода и водорода в простейшей формуле вещества соответственно через x, y, z и t. Атомные массы этих элементов равны соответственно 24,305; 32,066; 15,999 и 1,008. Поэтому массы магния, серы, кислорода и водорода в составе вещества относятся как 
24,305x : 32,066y : 15,999z : 1,008t. По условию задачи это отношение имеет вид: 9,76 : 13,01 : 71,54 : 5,69. Следовательно:
24,305x : 32,066y : 15,999z : 1,008t  =  9,76 : 13,01 : 71,54 : 5,69.

Откуда 

х : y : z : t = (9,76/24,305) : (13,01/32,066) : (71,54/15,999) : (5,69/1,008) = 0,402 : 0,406 : 4,472 : 5,645.

Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим все четыре его члена на наименьший из них:

х : y : z : t = (0,402/0,402) : (0,406/0,402) : (4,472/0,402) : (5,645/0,402) = 1 : 1 : 11 : 14.

Таким образом, простейшая формула вещества MqxSyOzHt  будет иметь вид: Mq₁S₁O₁₁H₁₄. 

Кристаллогидрат содержит в своем составе одну молекулу основного вещества и n-е количество молекул воды — Н₂О, поэтому, учитывая, что в простейшей формуле содержится 14 отомов водорода, то количество молекул воды в кристаллогидрате равно 7Н2О. 

Таким образом, после того как мы уберем из простейшей формулы Mq₁S₁O₁₁H₁₄ 14 атомов водорода и 7 атомов кислорода, то после приведения членов О и Н получим: 
Mq₁S₁O₄.

Тогда формула кристаллогидрата будет иметь вид: MgSO₄ • 7H₂O — Горькая соль (Гептагидрат сульфата магния).

Ответ: Горькая соль MgSO₄ • 7H₂O.