§ 4. Виведення молекулярної формули речовини за масовими частками елементів

Виведення молекулярної формули речовин було однією з перших задач, що постали перед хіміками після того, як почали використовувати вимірювання в хімічних дослідженнях. Знаючи масові частки елементів у сполуці (як органічної, так і неорганічної), можна визначити її молекулярну масу, а отже, і її хімічну формулу. Для розв’язання таких задач можна використовувати різні алгоритми.

Виведення молекулярної формули речовини за відомою масовою часткою елемента у сполуці

Цей алгоритм найбільш доцільний для бінарних сполук (що складаються з атомів двох елементів), зокрема оксидів та вуглеводнів. Його можна застосовувати й для інших сполук, але через велике число невідомих величин це буде досить складно.

Цей алгоритм застосовують, якщо за умовою задачі відомо:

• що речовина є бінарною;
• з яких хімічних елементів складається речовина;
• масову частку одного з елементів.

Ви вже у 7 класі навчилися обчислювати масові частки елементів у сполуці за хімічною формулою. Тепер розв’яжемо зворотну задачу.

Масові частки елементів обчислюють за формулою:

де w — масова частка елемента, A_r — відносна атомна маса цього елемента, N — число атомів цього елемента в молекулі (формульній одиниці 1 ), M_r — відносна молекулярна маса сполуки.

1 Для полегшення викладу надалі термін «формульна одиниця» згадувати не будемо, а термін «молекула» використовуватимемо й для речовин атомної та йонної будови.

За цією формулою отримуємо формулу для розрахунку відносної молекулярної маси речовини:

Відносна атомна маса елемента (A_r) наведена в Періодичній системі, а його масова частка (w) відома за умовою задачі. Але лишається одна невідома величина — N. Ми знаємо, що зазвичай число атомів у молекулі є невеликим цілим числом, тому під час розв’язування задач припускаємо, що N дорівнює 1 або 2, 3 тощо.

Зверніть увагу! Для розв’язання задач, у яких дані наведені у відсотках, зручніше одразу перевести їх у частку від одиниці діленням на 100.

Задача 1. Визначте хімічну формулу сполуки Калію з Оксигеном, у якій масова частка Калію становить 83 %.

Виведення молекулярної формули речовини за відомою відносною молекулярною масою речовини

Цей алгоритм застосовують, якщо за умовою задачі відомо:

• що речовина не обов’язково є бінарною;
• з яких хімічних елементів складається речовина;
• масові частки всіх елементів;
• відносна молекулярна або молярна маса речовини.

Для розв’язання задач такого типу також можна використовувати формулу для обчислення масової частки (1), але її необхідно перетворити так, щоб можна було розрахувати число атомів певного елемента:

Задача 2. Визначте молекулярну формулу органічної речовини з молярною масою 60 г/моль, у якій масова частка Карбону становить 40 %, Гідрогену — 6,67 %, інше припадає на Оксиген.

Виведення молекулярної формули небінарної сполуки за відомими масовими частками

Цей алгоритм є універсальним і підходить для розв’язування будь-яких задач на виведення формул речовин (як органічних, так і неорганічних) за відомими масовими частками.

Цей алгоритм застосовують, якщо за умовою задачі відомо:

• що речовина необов’язково є бінарною;
• з яких хімічних елементів складається речовина;
• масові частки всіх елементів.

Алгоритм ґрунтується на одному з базових принципів хімії — стехіометрії. Ви пам’ятаєте, що і хімічна формула, і коефіцієнти в рівняннях реакцій показують співвідношення атомів чи молекул під час хімічної взаємодії. Можна впевнено стверджувати, що співвідношення індексів у хімічній формулі речовини таке саме, як і співвідношення кількості речовини (у молях) атомів у цій речовині.

Наприклад, для речовини C_xН_yO_z справедливо:

Оскільки кількість речовини прямо пропорційна масовій частці, то формулу (4) можна перетворити так:

Зверніть увагу! У цю формулу масові частки можна підставляти як у відсотках, так і у частках від одиниці.

Задача 3. Певна речовина містить Карбон (52,2 %), Гідроген (13 %) та Оксиген. Визначте її молекулярну формулу.

Задача 4. Визначте формулу вуглеводню, в якому масова частка Карбону становить 80 %.

Ключова ідея

Визначення хімічної формули речовини за відомими масовими частками ґрунтується на базових принципах стехіометрії.

Завдання для засвоєння матеріалу

• 39. Визначте молекулярну формулу оксиду, в якому масова частка Хрому становить 52 %.
• 40. Визначте молекулярну формулу оксиду, в якому масова частка Феруму становить 70 %.
• 41. Визначте молекулярну формулу сполуки Нітрогену з Оксигеном, у якій масова частка Оксигену становить 63,2 %.
• 42. Визначте молекулярну формулу вуглеводню, в якому масова частка Карбону становить 81,82 %.
• 43. Визначте молекулярну формулу вуглеводню, що містить 82,76 % атомів Карбону за масою, якщо його молярна маса дорівнює 58 г/моль.
• 44. Визначте молекулярну формулу вуглеводню з молярною масою 78 г/моль, у якому масова частка Карбону становить 92,3 %.
• 45. Визначте молекулярну формулу органічної речовини з молярною масою 45 г/моль, у якій масова частка Нітрогену становить 31,11 %, Карбону — 53,33 %, усе інше — Гідроген.
• 46. Визначте молекулярну формулу органічної речовини з молярною масою 90 г/моль, у якій масова частка Оксигену становить 71,11 %, Карбону — 26,67 %, усе інше — Гідроген.
• 47. Певна речовина містить Карбон (62,1 %), Гідроген (10,3 %) та Оксиген. Визначте її молекулярну формулу.
• 48. Певна речовина містить Карбон (77,4 %), Гідроген (5,83 %) та Нітроген. Визначте її молекулярну формулу.
• 49. Визначте молекулярну формулу спирту, в якому масова частка Карбону становить 64,86 %, а Гідрогену — 13,51 %.
• 50. У сполуці масою 3,1 г міститься 0,6 г атомів Карбону, 2,4 г атомів Оксигену і Гідроген. Визначте молекулярну формулу речовини.

Міні-проекти

• 51. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про сучасні методи визначення елементного складу речовин.

• Перевірте свої знання за темою «Теорія будови органічних сполук», виконавши тестові завдання на сайті.

Techemy

Твердотільні та електрохімічні сонячні батареї

Магніт подвоює вихід водню при електролізі води (відео)

Наногель регулює рівень цукру в крові

Коди біологічної регуляції

Твердий, рідкий, газоподібний

Таємниці хімічних перетворень

Хімічні формули речовин

Кожна складна або проста речовина складається з елементрарних частинок – атомів і молекул, які мають однаковий атомний склад і структурну будову.

Хімічна формула – це зображення якісного і кількісного складу речовини за допомогою символів хімічних елементів, а також числових, літерних та інших знаків.

Хімічні формули мають інтернаціональні зображення.
Хімічна формула дає наступну інформацію про речовину: які елементи входять до складу речовини і яке співвідношення атомів цих елементів, і отже, який склад молекули для ковалентних сполук або склад і співвідношення іонів в кристалічній решітці для іонних сполук.

Приклад. Формула H₂O показує, що вода (ковалентна речовина) включає елементи водень H і кисень O в співвідношенні їх атомів 2 : 1, а формула Na₂SO₄ – натрію сульфат (іонна речовина) включає елементи натрій Na, сірку S і кисень в співвідношенні їх атомів 2 : 1 : 4 або в співвідношенні іонів Na + і SO₄ 2- , що дорівнює 2 : 1. Співвідношення для іонів спостерігається не тільки для речовин у твердому стані, але і в розведеному водному розчині, де Na₂SO₄ електролітично дисоціює на катіони Na + і аніони SO₄ 2- у співвідношенні 2 : 1.
Хімічні формули виду H₂O, Na₂SO₄, C₂H₂ називаються сумарними формулами. Число атомів кожного елемента у формулі вказується нижнім числовим індексом праворуч від символу відповідного елемента.
Крім сумарних формул в хімії використовуються структурні формули молекул, які показують відносне взаємне розташування атомів в молекулі.