Как определить молекулярную формулу органического соединения

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 СО₂ и Н₂О. Количества веществ СО₂ и Н₂О 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(СО₂) + m(Н₂О) = 5,58 г;
соотношение количеств веществ продуктов р-ции: n(СО₂) = n(Н₂О);
относительная плотность паров исходного вещества по кислороду: D(O₂) = 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 СО₂ и Н₂О. 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 СО₂ и водорода из Н₂О окажется равной массе исходного органического вещества, то кислорода в его составе не было. В ином случае, если

m[(С)(в СO₂)] + m[(Н)(в Н₂О)]  >  m_{орг. в-ва}

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

m_{орг. в-ва} – m(С)(в СО₂) – m(Н)(в Н₂О) = 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(СО₂) = n(Н₂О) = а моль.

Используя величину «а» как известную, найдем массу СО₂ и Н₂О:

m(СО₂) = М(СО₂) ^. n(СО₂) = (44 . а) г,
m(Н₂О) = М(Н₂O) ^. n(Н₂О) = (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(СО₂) = n(Н₂О) = 0,09 моль.

Видео:Установление эмпирической и молек. формул по массовым долям элем., входящих в состав в-ва. 10 класс.Скачать

2. Найдем массу углерода в СО₂ по алгоритму:

n(СO₂) —> n(С)(в СО₂) —> m(С)(в СО₂)
n(С)(в СO₂) = n(СO₂) = 0,09 моль (по индексам в формуле).
m(С)(в СO₂) = n(С)(в СO₂) ^. М(С) = 0,09  ^. 12 = 1,08 г = m(С)(в исх. в-ве)

3. Найдем массу водорода в образовавшейся воде по алгоритму:

n(Н²О) —> n(Н)(в Н₂О) —> m(Н)(в Н₂О)
n(Н) (в Н₂О) > n(Н₂О) в 2 раза (по индексам в формуле)
n(Н)(в Н₂О) = 2 ^. n(Н₂О) = 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 СO₂) + m(Н)(в Н₂О) = 1,08 + 0,18 = 1,26 г;
m _{орг. в-ва} = 1,74 г.
m(С)(в СO₂₎ + m(Н)(в Н₂О) > 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 СО₂) – m(Н)(в Н₂О) = 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_хН_уО_z.

Шаг 2. Составим схему реакции горения:

С_хН_уО_z. + О₂ —> СО₂ + Н₂О

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: С₃Н₆О₁

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

M_истин.= D(О₂) ^. М(О₂) = 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.

С₃Н₆О — молекулярная формула сгоревшего вещества.

Ответ: С₃Н₆О.