Як визначити молекулярну формулу органічної речовини? 🧪 Розбираємо задачі за масовими частками елементів, відносною молекулярною масою та продуктами згоряння. Вчимося знаходити найпростішу формулу та переходити від неї до молекулярної.
Ми знаємо, що молекулярна формула показує, атоми яких елементів і в якій кількості входять до складу молекули.
Наприклад:
CH₄ — метан, C₂H₆ — етан, C₂H₄ — етен.
Але в хімічній задачі готової формули нам часто не дають. Замість неї можуть бути відомі масові частки елементів, їхні маси, відносна молекулярна маса речовини або маси продуктів її згоряння. І за цими даними потрібно самостійно відновити формулу.
Як це зробити?
Спочатку розберемо головну ідею, на якій ґрунтуються практично всі такі задачі.
Головний принцип — від мас до кількості атомів
Індекси у хімічній формулі показують співвідношення кількостей атомів різних елементів.
Наприклад, у формулі:
C₂H₆
на кожні 2 атоми Карбону припадає 6 атомів Гідрогену.
Отже:
C : H = 2 : 6 = 1 : 3
Але рахувати окремі атоми ми, звичайно, не будемо. Замість цього визначатимемо кількість речовини атомів кожного елемента.
Наприклад, n(C) означатиме кількість речовини атомів Карбону, а n(H) — кількість речовини атомів Гідрогену.
Чому це працює?
Один моль будь-яких атомів містить однакову кількість частинок. Тому якщо атомів Гідрогену втричі більше, ніж атомів Карбону, то й кількість речовини атомів Гідрогену буде втричі більшою.
Отже, за співвідношенням n(C) : n(H) ми можемо визначити співвідношення індексів у формулі.
І тут потрібно запам’ятати головне правило:
Індекси у формулі визначаються співвідношенням кількостей атомів, а не співвідношенням їхніх мас.
Тому основний шлях у таких задачах має наступний вигляд:
МАСИ ЕЛЕМЕНТІВ → КІЛЬКОСТІ РЕЧОВИНИ → СПІВВІДНОШЕННЯ → ІНДЕКСИ
Але є ще один важливий момент.
За даними про склад речовини ми часто спочатку визначаємо найпростішу, або емпіричну, формулу. Вона показує найпростіше ціле співвідношення атомів різних елементів.
А якщо маємо додаткові дані, наприклад відносну молекулярну масу, можемо перейти до молекулярної формули, яка показує справжню кількість атомів кожного елемента в молекулі.
Подивимося, як це працює на конкретних задачах.
Задача 1. Визначаємо формулу за масовими частками елементів
Органічна речовина містить 85,7% Карбону і 14,3% Гідрогену. Визначте її найпростішу формулу.
Нам дані відсотки, а для обчислення кількості речовини потрібні маси. Тут зручно використати простий прийом.
Уявімо, що ми маємо 100 г речовини.
Тоді:
m(C) = 85,7 г
m(H) = 14,3 г
Чи можна тепер просто порівняти 85,7 і 14,3 та за цим співвідношенням записати формулу?
Ні.
Річ у тім, що атоми різних елементів мають різні маси. Молярна маса атомів Карбону становить приблизно 12 г/моль, а атомів Гідрогену — 1 г/моль.
Тому однакова маса різних елементів зовсім не означає однакової кількості їхніх атомів.
Саме тому спочатку потрібно перейти від мас до кількостей речовини.
Використовуємо знайому формулу:
n = m / M
Для Карбону:
n(C) = 85,7 / 12 ≈ 7,14 моль
Для Гідрогену:
n(H) = 14,3 / 1 = 14,3 моль
Тепер можемо визначити співвідношення:
C : H = 7,14 : 14,3
Але індекси у формулі мають бути цілими числами. Тому ділимо обидва значення на менше — 7,14:
C : H ≈ 1 : 2
Отже, найпростіша формула:
CH₂
Перевіримо результат.
Сума відносних атомних мас для CH₂:
12 + 2 · 1 = 14
Масова частка Карбону:
w(C) = 12 / 14 · 100% ≈ 85,7%
Масова частка Гідрогену:
w(H) = 2 / 14 · 100% ≈ 14,3%
Ми повернулися до значень з умови. Отже, найпростіше співвідношення визначено правильно.
Але зверніть увагу на дуже важливу деталь.
CH₂ — це ще не обов’язково молекулярна формула речовини!
Ми встановили лише те, що на кожний атом Карбону припадають два атоми Гідрогену.
Таке саме співвідношення мають:
C₂H₄
C₃H₆
C₄H₈
та багато інших молекулярних формул.
Тому CH₂ у нашій задачі — це найпростіша, або емпірична, формула. Вона показує співвідношення атомів, але не обов’язково їхню справжню кількість у молекулі.
Задача 2. Як перейти від найпростішої формули до молекулярної?
Тепер трохи доповнимо попередню умову.
Речовина містить 85,7% Карбону і 14,3% Гідрогену. Її відносна молекулярна маса дорівнює 56. Визначте молекулярну формулу речовини.
Найпростішу формулу ми вже знаємо:
CH₂
Знайдемо суму відносних атомних мас, що відповідає цій формулі:
12 + 2 · 1 = 14
А відносна молекулярна маса справжньої речовини за умовою становить:
Mᵣ = 56
Отже, потрібно з’ясувати, у скільки разів молекулярна формула більша за найпростішу.
Для цього ділимо відносну молекулярну масу речовини на суму відносних атомних мас найпростішої формули:
k = 56 / 14 = 4
Що означає отримана четвірка?
Це означає, що всі індекси найпростішої формули потрібно помножити на 4.
Маємо:
C₁×₄H₂×₄ → C₄H₈
Отже, молекулярна формула речовини:
C₄H₈
Відповідь: C₄H₈.
Таким чином, ми пройшли два різні етапи:
СКЛАД РЕЧОВИНИ → НАЙПРОСТІША ФОРМУЛА → МОЛЕКУЛЯРНА ФОРМУЛА
Запам’ятайте різницю.
За масовими частками елементів ми визначаємо їхнє найпростіше атомне співвідношення. А відносна молекулярна маса дозволяє з’ясувати, у скільки разів потрібно збільшити індекси, щоб отримати справжню молекулярну формулу.
Задача 3. Якщо відомі маси елементів
Не завжди в умові задачі дають відсотки. Іноді нам відомі безпосередньо маси елементів, що входять до складу речовини.
Наприклад.
Органічна речовина масою 4,6 г містить 2,4 г Карбону, 0,6 г Гідрогену та Оксиген. Визначте її найпростішу формулу.
Маси Карбону та Гідрогену нам відомі. А як знайти масу Оксигену?
Дуже просто.
Оскільки за умовою речовина складається лише з трьох зазначених елементів, масу Оксигену можна визначити за різницею:
m(O) = 4,6 − 2,4 − 0,6 = 1,6 г
Тепер маємо маси всіх трьох елементів.
Переходимо до кількостей речовини:
Для Карбону:
n(C) = 2,4 / 12 = 0,2 моль
Для Гідрогену:
n(H) = 0,6 / 1 = 0,6 моль
Для Оксигену:
n(O) = 1,6 / 16 = 0,1 моль
Отримуємо співвідношення:
C : H : O = 0,2 : 0,6 : 0,1
Ділимо всі три значення на найменше — 0,1:
C : H : O = 2 : 6 : 1
Отже, найпростіша формула:
C₂H₆O
Відповідь: C₂H₆O.
Здавалося б, усе. Але тут є одна цікава пастка.
Можливо, ви вже впізнали формулу C₂H₆O? Таку молекулярну формулу має добре відомий нам етанол.
Чи означає це, що ми щойно довели: невідома речовина — саме етанол?
Ні!
По-перше, за наведеними даними ми встановили лише найпростішу формулу. Без додаткової інформації, наприклад відносної молекулярної маси, ми ще не можемо остаточно визначити молекулярну формулу.
По-друге, навіть однакова молекулярна формула не завжди означає, що перед нами одна й та сама речовина.
Наприклад, молекулярну формулу C₂H₆O мають і етанол, і диметиловий етер.
В етанолі атоми сполучені так:
CH₃–CH₂–OH
А в диметиловому етері:
CH₃–O–CH₃
Кількість атомів кожного елемента однакова, але їхнє сполучення різне. Тому це дві різні речовини з різними властивостями.
Отже, молекулярна формула відповідає на питання «скільки яких атомів?», але не завжди відповідає на питання «як саме вони сполучені?»
До цього ми ще повернемося під час вивчення ізомерії органічних речовин.
А якщо співвідношення не виходить цілим?
У попередніх задачах після ділення на найменшу кількість речовини ми одразу отримували цілі числа.
Але так буває не завжди.
Припустімо, після розрахунків ми отримали:
C : H = 1 : 1,5
Чи можемо записати формулу CH₁,₅?
Ні. Індекси у звичайній хімічній формулі мають бути цілими числами.
Тому потрібно позбутися дробового значення. Для цього множимо все співвідношення, а не лише один індекс, на 2:
1 : 1,5 → 2 : 3
Отримуємо найпростішу формулу:
C₂H₃
А якщо маємо три елементи?
Наприклад:
C : H : O = 1 : 1,5 : 0,5
Знову множимо всі три числа на 2:
1 : 1,5 : 0,5 → 2 : 3 : 1
Отримуємо:
C₂H₃O
Аналогічно діємо і з іншими дробовими значеннями.
Корисно запам’ятати кілька типових випадків:
| Отримане значення | Що робимо |
| 1,5 або 0,5 | Множимо все співвідношення на 2 |
| 1,33 або 1,67 | Множимо на 3 |
| 1,25 або 1,75 | Множимо на 4 |
Звичайно, через округлення результат не завжди буде точно 1,5 або 1,33. Наприклад, може вийти 1,49 або 1,34.
У такому разі потрібно врахувати точність вихідних даних і знайти найближче обґрунтоване співвідношення невеликих цілих чисел.
Але пам’ятайте: не можна довільно округлювати будь-яке незручне число лише заради красивої формули.
Наше завдання — не вгадати індекси, а правильно їх обчислити.
Задача 4. Визначаємо формулу за продуктами згоряння
Тепер розглянемо складніший і дуже важливий тип задач.
Уявіть, що нам навіть не повідомляють, скільки Карбону та Гідрогену містила початкова речовина. Натомість дають маси речовин, які утворилися після її повного згоряння.
Як за цими даними відновити початкову формулу?
Річ у тім, що під час повного згоряння вуглеводню його Карбон переходить у вуглекислий газ CO₂, а Гідроген — у воду H₂O.
Отже, продукти згоряння фактично зберігають для нас інформацію про елементний склад початкової речовини.
Розглянемо задачу.
Під час повного згоряння вуглеводню утворилося 8,8 г CO₂ і 5,4 г H₂O. Відносна молекулярна маса вуглеводню дорівнює 30. Визначте його молекулярну формулу.
Зверніть увагу на дуже важливе слово в умові — вуглеводень.
Вуглеводні складаються тільки з атомів Карбону та Гідрогену. Тому, визначивши кількості цих двох елементів, ми отримаємо інформацію про весь елементний склад початкової речовини.
Почнемо з вуглекислого газу.
Його молярна маса:
M(CO₂) = 12 + 2 · 16 = 44 г/моль
Визначаємо кількість речовини:
n(CO₂) = 8,8 / 44 = 0,2 моль
А тепер найважливіше.
Кожна молекула CO₂ містить один атом Карбону.
Отже, одному молю CO₂ відповідає один моль атомів Карбону:
1 моль CO₂ → 1 моль C
Тому:
n(C) = n(CO₂) = 0,2 моль
Ми щойно визначили, скільки Карбону містилося в початковому вуглеводні, хоча самого вуглеводню в нас уже немає!
Тепер розглянемо воду.
Її молярна маса:
M(H₂O) = 2 · 1 + 16 = 18 г/моль
Знаходимо кількість речовини:
n(H₂O) = 5,4 / 18 = 0,3 моль
Але тут є важлива відмінність.
Кожна молекула води містить два атоми Гідрогену.
Тобто одному молю H₂O відповідають уже два молі атомів Гідрогену:
1 моль H₂O → 2 моль H
Тому:
n(H) = 2 · n(H₂O)
Підставляємо:
n(H) = 2 · 0,3 = 0,6 моль
Тепер ми знаємо кількості речовини обох елементів, що входили до складу початкового вуглеводню:
n(C) = 0,2 моль
n(H) = 0,6 моль
Визначаємо співвідношення:
C : H = 0,2 : 0,6
Ділимо обидва значення на менше — 0,2:
C : H = 1 : 3
Отже, найпростіша формула:
CH₃
Але нам потрібно визначити саме молекулярну формулу речовини.
За умовою (молекулярна маса):
Mᵣ = 30
Сума відносних атомних мас для CH₃:
12 + 3 · 1 = 15
Знаходимо коефіцієнт:
k = 30 / 15 = 2
Отже, всі індекси найпростішої формули потрібно помножити на 2:
CH₃ → C₂H₆
Маємо молекулярну формулу етану.
Відповідь: C₂H₆.
Таким чином, у задачах на згоряння ми спочатку ніби «витягуємо» інформацію про елементи з продуктів реакції:
CO₂ → C
H₂O → H
Зверніть увагу: це зовсім не означає, що в початковій речовині вже містилися CO₂ або H₂O. Ми лише використовуємо продукти згоряння, щоб визначити кількості Карбону та Гідрогену у вихідній речовині.
А далі працює вже знайомий алгоритм:
КІЛЬКОСТІ РЕЧОВИНИ → СПІВВІДНОШЕННЯ → НАЙПРОСТІША ФОРМУЛА → МОЛЕКУЛЯРНА ФОРМУЛА
І ще одне зауваження.
Наша задача була відносно простою, тому що в умові прямо зазначено: початкова речовина — вуглеводень.
Якщо ж органічна речовина містить також Оксиген, то лише за кількостями CO₂ та H₂O ми визначимо Карбон і Гідроген. Для знаходження Оксигену знадобляться додаткові дані, наприклад маса зразка початкової речовини.
Підсумок. Як розв’язувати задачі на визначення формули речовини?
Сьогодні ми розглянули чотири задачі з різними умовами. Але всі вони ґрунтуються на одному принципі.
Незалежно від того, що нам відомо — масові частки, маси елементів чи продукти згоряння, — насамперед потрібно встановити співвідношення кількостей атомів у речовині.
Для цього користуємося універсальною схемою:
ДАНІ ПРО СКЛАД → МАСИ ЕЛЕМЕНТІВ → КІЛЬКОСТІ РЕЧОВИНИ → НАЙПРОСТІШЕ ЦІЛЕ СПІВВІДНОШЕННЯ → НАЙПРОСТІША ФОРМУЛА
Якщо потрібно визначити ще й молекулярну формулу, використовуємо додаткову інформацію, найчастіше відносну молекулярну масу речовини.
А для задач на згоряння запам’ятайте два важливі співвідношення:
n(C) = n(CO₂)
n(H) = 2 · n(H₂O)
Їх не потрібно механічно завчати. Вони безпосередньо випливають зі складу молекул CO₂ та H₂O.
І найголовніше правило всього уроку:
МАСИ ЕЛЕМЕНТІВ НЕ ДАЮТЬ НАМ ІНДЕКСИ БЕЗПОСЕРЕДНЬО.
Спочатку переходимо від мас до кількостей речовини, потім знаходимо найпростіше ціле співвідношення і лише після цього записуємо індекси.
Саме ця логіка лежить в основі більшості шкільних задач на визначення формули органічної речовини.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.