Хімія. Рівень стандарту. Повторне видання. 10 клас. Григорович

§ 7. Установлення молекулярної формули речовини за загальною формулою гомологічного ряду та густиною або відносною густиною

Пригадайте:

формули для обчислення відносної густини газів, густини речовини та одиниці вимірювання цих величин;
алгоритми розв'язування задач (за § 4).

Установлення молекулярної формули речовин за загальною формулою гомологічного ряду

Ви вже вмієте виводити формули сполук за відомими масовими частками елементів у них. У цьому параграфі ви навчитеся робити це, але за іншими даними.

Цей алгоритм застосовують, якщо з умови задачі відомо:

до якого гомологічного ряду або класу належить сполука, тобто відома загальна формула;
молекулярну або молярну масу речовини.

За загальною формулою сполук можна записати рівняння для відносної молекулярної маси.

Загальною формулою алканів є C_nH₂_n₊₂. Якщо молекула алкану містить n атомів Карбону, то загальна маса всіх атомів Карбону становитиме 12n (оскільки А_r(С) = 12). У цій молекулі міститься також 2n + 2 атомів Гідрогену, загальна маса яких дорівнює також 2n + 2 (оскільки А_r(Н) = 1). Отже, рівняння для обчислення відносної молекулярної маси алканів:

М_r(С_nН₂_n₊₂) = n • А_r(С) + (2n + 2) • А_r(Н) = n • 12 + (2n + 2) • 1 = 14n + 2

Оскільки відносна молекулярна маса та молярна маси чисельно однакові, то для алканів:

М(С_nН₂_n₊₂) = 14n + 2

Так само можна вивести загальні формули для обчислення молярної маси сполук інших гомологічних рядів або класів:

алкенів М(С_nН₂_n) = 14n;
алкінів М(С_nН₂_n_-₂) = 14n - 2;
аренів М(С_nН₂_n_-₆) = 14n - 6;
насичених одноатомних спиртів М(С_nН₂_n₊₁ОН) = 14n + 18.

Задача 1. Установіть формулу алкану, молярна маса якого дорівнює 72 г/моль.

Розв’язання:

За умовою відомо, що сполука є алканом, тому використовуємо формулу для обчислення молярної маси алканів:

М(С_nН₂_n₊₂) = 14n + 2.

Підставляємо значення молярної маси в рівняння:

14n + 2 = 72;

n = 5.

Отже, у кожній молекулі цього алкану міститься по 5 атомів Карбону.

Підставляємо число 5 у загальну формулу алканів. Молекулярна формула сполуки — С₅Н₁₂.

Відповідь: формула алкану С₅Н₁₂.

Установлення молекулярної формули речовин за відносною густиною

Цей алгоритм застосовують:

для газуватих або летких сполук;
якщо з умови задачі відомо, до якого гомологічного ряду або класу належить сполука, тобто відома загальна формула або масові частки елементів у сполуці;
якщо відома відносна густина.

Цей тип задач нагадує задачі з попереднього підрозділу, але формулу для обчислення молярної маси речовини виводимо за відносною густиною. Відносна густина газу є часткою від ділення молярних мас невідомого (В) та відомого (А) газів:

Отже, молярну масу невідомого газу обчислюємо за формулою:

М(В) = М(А) • D_A(В) (2)

Слід пам’ятати, що відносну густину можна обчислювати відносно повітря, у цьому випадку використовують середню молярну масу повітря, що дорівнює 29 г/моль.

Задача 2. Установіть формулу алкінів, відносна густина яких за гелієм становить 13,5.

Розв’язання:

Спочатку обчислюємо молярну масу алкінів за формулою (2). Оскільки відома відносна густина за гелієм, то для обчислення використовуємо молярну масу гелію M(Не) = 4 г/моль:

М(С_nН₂_n_-2) = М(Не) • D_Н_e(С_nН₂_n₊₂) = 4 г/моль • 13,5 = 54 г/моль.

За формулою для обчислення молярної маси алкінів визначаємо кількість атомів Карбону:

М(С_nН₂_n_-₂) = 14n - 2;

14n - 2 = 54;

n = 4.

Отже, молекули невідомих алкінів містять по 4 атоми Карбону. Підставляємо число 4 в загальну формулу алкінів, тож молекулярна формула C₄H₆.

Відповідь: формула алкінів — С₄Н₆.

Частіше трапляються комбіновані задачі, у яких є дані про відносну густину, але невідомо, до якого класу належить речовина. Замість цього відомі масові частки елементів у сполуці. Але, використовуючи масові частки, можна вивести лише емпіричну формулу речовини — це формула, що показує відношення числа атомів різних елементів у сполуці. На відміну від молекулярної формули, що відображає реальний склад молекули.

У більшості неорганічних сполук емпірична та молекулярна формули збігаються, але серед органічних сполук частіше трапляється навпаки. Наприклад, у складі молекули етану два атоми Карбону та шість атомів Гідрогену: молекулярна формула етану — С₂Н₆. Але в молекулі етану відношення атомів Карбону й Гідрогену дорівнює 1 : 3, емпірична формула етану — CH₃. І таких випадків досить багато.

Емпірична формула:

Молекулярна формула:

CH₃

СН₂

CH₂O

С₂Н₆ — етан

С₂Н₄, С₃Н₆ та інші алкени

С₆Н₆ — бензен або С₂Н₂ — етин

метаналь СН₂О, етанова С₂Н₄О₂ та молочна С₃Н₆О₃ кислоти, глюкоза С₆Н₁₂О₆ тощo

У таких задачах за масовими частками спочатку встановлюємо емпіричну формулу, а за відносною густиною встановлюємо молекулярну формулу.

Задача 3. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, у якому масова частка Карбону становить 84,2 %, а відносна густина його випарів за повітрям дорівнює 3,93.

Установлення молекулярної формули речовин за густиною

Цей алгоритм застосовують:

для газуватих або летких сполук;
якщо відомо, до якого гомологічного ряду або класу належить сполука, тобто відома загальна формула або відомі масові частки елементів у сполуці;
якщо відома густина газу або випарів рідини.

Замість відносної густини для установлення молекулярної формули можна використовувати й звичайну густину. Знаючи густину, можна також обчислити молярну масу речовини. Густину обчислюють, знаючи масу та об’єм речовини:

Для речовини кількістю 1 моль маса дорівнюватиме молярній масі сполуки М, а об’єм — молярному об’єму V_m. Отже,

Зверніть увагу, що зазвичай наводять об’єми газів, виміряні за нормальних умов. У цьому разі ми можемо використовувати значення молярного об’єму, що дорівнює 22,4 л/моль. Із формули (4) видно, що густина залежить від об’єму, а отже, й від умов вимірювання. Тож, зазвичай, значення густини випарів наводять, приведене до нормальних умов.

Отже, формулу (4) можемо використовувати для обчислення молярної маси невідомої речовини:

М = ρ • V_m (5)

Задача 4. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, у якому масова частка Карбону становить 85,7 %, а густина його випарів за нормальних умов дорівнює 3,125 г/л.

Ключова ідея

Знаючи загальну формулу гомологічного ряду або класу сполук, можна вивести молекулярну формулу речовини за молярною масою. Якщо загальна формула невідома, використовують інші дані, за якими можна визначити відношення числа атомів у молекулах.

Завдання для засвоєння матеріалу

101. Установіть формулу для обчислення молярної маси алкенів, алкінів, аренів та насичених одноатомних спиртів.
102. Установіть молекулярні формули таких речовин: а) алкан, М = 44 г/моль; б) алкен, М = 70 г/моль; в) алкін, М = 54 г/моль; г) арен, М = 92 г/моль; д) спирт, М = 74 г/моль.
103. Установіть молекулярну формулу алкену, відносна густина якого за вуглекислим газом дорівнює 2,55.
104. Установіть молекулярну формулу арену, відносна густина якого за метаном дорівнює 6,625.
105. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Карбону в якому становить 0,75, а відносна густина його випарів за повітрям дорівнює 0,552.
106. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Карбону в якому становить 80 %, а його густина за нормальних умов дорівнює 1,342 г/л.
107. За даними хімічного аналізу, кількісний склад речовин А та Б приблизно однаковий. Речовина А містить: Карбон — 51,89 %, Гідроген — 9,73 %, Хлор — 38,38 %. Відносна густина випарів речовини Б за повітрям приблизно у два рази більша, ніж у речовини А. Визначте речовини А та Б. Чи одна відповідь у цій задачі?
108. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Карбону в якому становить 85,7 %, а відносна густина його випарів за повітрям дорівнює 1,93.
109. Установіть молекулярну формулу речовини, у якій масова частка Карбону становить 80 %, Гідрогену — 20 %, а відносна густина за воднем дорівнює 15.
110. Установіть структурну формулу вуглеводню, масова частка Карбону в якому 81,82 %, а густина дорівнює 1,964 г/л.
111. Масова частка Карбону у вуглеводні становить 85,7 %. Густина його випарів за повітрям дорівнює 1,45. Визначте число атомів Карбону в одній молекулі цього вуглеводню.
112. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, у якому масова частка Карбону становить 88,2 %, а густина його випарів за нормальних умов дорівнює 3,036 г/л.
113. Установіть молекулярну формулу вуглеводню, у якому масова частка Карбону становить 88,09 %, а густина його випарів за нормальних умов дорівнює 7,5 г/л.

Зміст