Вывод молекулярных формул органических веществ

Молекулярную формулу органического вещества находят по количественным данным: массовым долям элементов, массам или объёмам продуктов сгорания органических веществ, а также по уравнению реакции. Главная идея одинакова: сначала определить простейшее соотношение атомов, затем по молярной массе установить настоящие индексы в молекуле.

1. Общий алгоритм по массовым долям

Пусть вещество содержит элементы \(\mathrm{C}\), \(\mathrm{H}\), \(\mathrm{O}\) и, возможно, \(\mathrm{N}\). Массовые доли обычно даны в процентах. Для расчёта удобно мысленно взять 100 г вещества: тогда числовое значение массовой доли в процентах равно массе элемента в этой пробе.

1. Запишите массовые доли всех элементов. Если доля бір элемента не дана, найдите её как \(100\%\) минус сумму остальных долей.
2. Переведите массы элементов в количества вещества: \(n_i=\frac{m_i}{A_r(i)}\).
3. Разделите все найденные количества вещества на наименьшее из них.
4. Округлите отношения до небольших целых чисел. Если получилось 1,5; 1,33 или 1,25, умножьте все отношения соответственно на 2; 3 или 4.
5. Запишите простейшую формулу и найдите её молярную массу \(M_\text{пр}\).
6. Если известна молярная масса вещества \(M\), вычислите \(k=\frac{M}{M_\text{пр}}\) и умножьте все индексы простейшей формулы на \(k\).

2. Определение формулы по продуктам сгорания

При полном сгорании вещества, содержащего углерод и водород, весь углерод переходит в \(\mathrm{CO_2}\), а водород — в \(\mathrm{H_2O}\). Поэтому сначала находят количество атомов углерода по количеству \(\mathrm{CO_2}\), а количество атомов водорода — по количеству воды. Этот подход используется и для кислородсодержащих веществ, но кислород в исходной пробе часто находят разностью.

Если известны объёмы газов при одинаковых условиях, можно использовать отношение объёмов: оно равно отношению количеств вещества. При нормальных условиях \(V_m=22{,}4\ \text{л/моль}\), поэтому \(n=\frac{V}{22{,}4}\). Если условия не указаны, надёжнее использовать стехиометрические отношения из уравнения реакции или данные о массе.

3. Разобранный пример: формула по массовым долям и молярной массе

Жауап \(\mathrm{C_2H_4O_2}\) соответствует, например, уксусной кислоте. Однако одна молекулярная формула может соответствовать нескольким изомерам, поэтому по количественным данным не всегда можно установить строение. Для распознавания конкретного вещества нужны качественные реакции и свойства; они разобраны на странице распознавания органических веществ.

4. Формула по уравнению реакции

Иногда формулу находят из данных реакции: массы реагента и продукта, объём газа, количество осадка или расход кислорода. Сначала составляют и уравнивают реакцию, затем используют коэффициенты как отношение количеств веществ. При работе с органическими соединениями особенно важно правильно расставить коэффициенты в уравнениях реакций органических веществ.

1. Обозначьте неизвестную формулу, например \(\mathrm{C_xH_yO_z}\) немесе \(\mathrm{C_xH_yN_z}\).
2. Запишите схему реакции и расставьте коэффициенты через сохранение атомов.
3. Выразите количество вещества неизвестного соединения через известное количество продукта или реагента.
4. Используйте молярную массу, массовую долю элемента или дополнительное условие, чтобы найти \(x\), \(y\), \(z\).
5. Проверьте формулу по всем данным тапсырма.

5. Проверка ответа и типичные ошибки

• Сумма массовых долей равна 100%.
• Индексы формулы — целые положительные числа.
• Молярная масса найденной формулы совпадает с условием.
• Уравнение реакции сохраняет число атомов каждого элемента.
• Массовые доли, рассчитанные по ответу, совпадают с данными.

Для веществ, связанных с обменом веществ, полезно сопоставлять формулу с классом соединения и его превращениями: например, с углеводами, аминокислотами и белками на странице биологически важных органических соединений. При задачах на пищевые продукты формула может быть частью расчёта состава органических веществ в составе пищи.