Раздел III. Определение молекулярных формул веществ.

Для определения молекулярных формул простых веществ необходима дополнительная информация о значении молярной массы изучаемого вещества. В задачах, посвященных определению молекулярных формул веществ, молярная масса может задаваться двумя способами: прямым и косвенным.

При прямом способе задания может приводиться либо точное значение молярной массы, либо границы в которых она может лежать. Косвенных способов отображения молярной массы существует несколько, в данном разделе рассмотрим определение молярных масс веществ по значению плотности. Существует два вида определение плотности паров веществ:

Относительная плотность вещества (плотность газа Y по газу X) определяется как соотношение молярных масс двух газообразных веществ или веществ, переведенных в газообразное состояние:

.

где М(Х) – молярная масса вещества сравнения Х. М(Y) – молярная масса вещества Y. В роли веществ сравнения чаще всего используют воздух М(воздуха) = 29 г/моль. водород М(Н₂) = 2 г/моль. но могут быть использованы и другие вещества сравнения. Относительная плотность одного газа по другому безразмерна. С использованием относительной плотности молярная масса рассчитывается по формуле:

Абсолютная плотность измеряется в [г/л]. определяется как масса одного литра вещества в газообразном состоянии и используется для определения молярных масс газообразных веществ или веществ. приводящихся в газообразное состояние без разложения и без протекания химической реакции ди- или олигомеризации. причем так. чтобы в условиях их нахождения в газообразном состоянии выполнялись законы идеальных газов (закон Менделеева-Клапейрона. закон Гей-Люссака). Если абсолютная плотность – число граммов в одном литре газа, то молярную массу газа можно определить как число граммов вещества в одном молярном объеме вещества.

Для нормальных условий молярная масса определяется по формуле:

Для условий, отличных от нормальных, расчет ведется по формуле Менделеева-Клапейрона:

(1)

где  – количество молей исследуемого вещества. [моль];

m – масса исследуемого вещества. [г];

М – молярная масса исследуемого вещества. [г/моль];

р – давление в системе. [кПа];

V – объем. занимаемый исследуемым веществом. [л];

Т – абсолютная температура в системе. [К]. определяется по формуле: Т. [К] = 273 + Т. [С]

R – универсальная газовая постоянная. R = 8.314 Дж/мольК

Из формулы (1) получаем: . вычисляем:

Формула для вычисления молярной массы вещества по плотности для условий, отличных от нормальных.

Пример 10 (Определение молекулярной формулы вещества по его процентному составу и молярной массе).

Квадратовая кислота состоит из 58.55% углерода, 2.45% водорода и 39.00% кислорода (содержание дано по массе). Плотность паров квадратовой кислоты по аргону равна 2.054. Определите молекулярную формулу квадратовой кислоты.

Решение:

Задача подобного типа может решаться двумя способами.

СПОСОБ А. Определение через простейшую формулу вещества.

Шаг 1: Определяем простейшую формулу квадратовой кислоты С_хН_уО_z (см. Пример 7).

. отсюда простейшая формула квадратовой кислоты С₂Н₁О₁. молекулярную формулу можно записать как (С₂Н₁О₁)_n.

Шаг 2: Определяем молярную массу квадратовой кислоты по молекулярной формуле, записанной в общем виде:

М((С₂Н₁О₁)_n) = n(212 г/моль + 11 г/моль + 116 г/моль) = {41n} г/моль

Шаг 3: Определяем молярную массу квадратовой кислоты по значению относительной плотности по аргону:

Шаг 4: Сравниваем значения молярных масс: М((С₂Н₁О₁)_n) = {41n} г/моль = 82 г/моль. отсюда n = 2. тогда молекулярная формула квадратовой кислоты С₄Н₂О₂.

СПОСОБ Б. Определение через молярную массу.

Шаг 1: Определяем молярную массу квадратовой кислоты по значению относительной плотности по аргону:

Шаг 2: Определяем массы, приходящиеся на каждый из элементов, образующих квадратовую кислоту:

. где (Х) – массовая доля элемента Х в вещества, выраженная в процентах.

Шаг 3: Определяем индексы при элементах в молекулярной химической формуле вещества:

; ; . в этих выражениях n(X) – атомный индекс элемента Х. то есть число атомов соответствующего элемента в молекуле.

Молекулярная формула квадратовой кислоты: С₄Н₂О₂.

121. Вещество гексасульфан состоит из 1.04% водорода и 98.94% серы (содержание дано в массовых процентах). Плотность гексасульфана по воздуху равна 6.703. Определите молекулярную формулу гексасульфана.

122. Вещество тетрасульфан состоит из 1.55% водорода и 98.45% серы (содержание дано в массовых процентах). Плотность тетрасульфана по водороду равна 65. Определите молекулярную формулу тетрасульфана.

123. Газообразное вещество дициан состоит из 46.17% углерода и 53.83% азота (содержание дано в массовых процентах). Плотность дициана по водороду равна 26. Определите молекулярную формулу дициана.

124. Газообразное вещество состоит только из 69.55% кислорода и азота (содержание дано в массовых процентах). Плотность вещества по воздуху равна 3.172. Определите молекулярную формулу вещества.

125. Бинарное вещество состоит из 56.36% кислорода и фосфора (содержание дано в массовых процентах). Плотность паров вещества по воздуху равна 9.789. Определите молекулярную формулу вещества.

126. Бинарное вещество состоит из 15.02% хлора и ртути (содержание дано в массовых процентах). Плотность паров вещества по фтору равна 12.42. Определите молекулярную формулу вещества.

127. Газообразное вещество состоит только из 20.68% углерода. 55.21% серы и азота (содержание дано в массовых процентах). Плотность вещества по воздуху равна 4.006. Определите молекулярную формулу вещества.

128. Содержание углерода в углеводороде винилацетилене равно 92.26%. Плотность винилацетилена по ацетилену равна 2.000. Определите молекулярную формулу винилацетилена.

129. Содержание углерода в углеводороде неопентане равно 85.63%. Плотность неопентана по озону равна 1.458. Определите молекулярную формулу неопентана.

130. Содержание углерода в углеводороде бутадиене равно 88.82%. Плотность бутадиена по воздуху равна 1.862. Определите молекулярную формулу бутадиена.

131. При 120С уксусная кислота состоит из 40.00% углерода. 53.29% кислорода и водорода. Плотность паров уксусной кислоты по аммиаку при этих условиях равна 3.53. Определите молекулярную формулу уксусной кислоты. При уменьшении температуры плотность паров уксусной кислоты постепенно увеличивается, достигая 7.06 (также по аммиаку). Объясните причину этого явления.

132. Содержание углерода в углеводороде стироле равно 92.26%. Плотность стирола по воздуху равна 3.586. Определите молекулярную формулу стирола.

133. Мелитовая кислота состоит из 42.12% углерода. 56.11% кислорода и водорода. Плотность паров мелитовой кислоты по воздуху при 200С равна 11.79. Определите молекулярную формулу мелитовой кислоты.

134. Вещество состоит только из 29.72% углерода. 39.58% кислорода и железа (содержание дано в массовых процентах). Плотность вещества по воздуху равна 12.54. Определите молекулярную формулу вещества.

135. Вещество состоит только из 64.56% углерода. 5.42% водорода и железа (содержание дано в массовых процентах). Плотность вещества по аргону равна 4.65. Определите молекулярную формулу вещества.

136. Газообразное вещество «дисульфан» состоит из серы (97.0%) и водорода. Определите молекулярную формулу дисульфана. если известно. что при температуре 300С и давлении 1.2 атм. 1 грамм дисульфана занимает объем 594 мл.

137. Газообразное вещество «дициан» состоит из углерода (46.2%) и азота. Определите молекулярную формулу дициана. если известно. что при температуре 150°С и давлении 5 атм. 1 грамм вещества занимает объем 133 мл.

138. Углеводород «аллен» состоит из углерода на 89.9%. Определите молекулярную формулу аллена. если известно. что при температуре 50°С и давлении 0.5 атм. 1 грамм углеводорода занимает объем 1.325 л.

139. Углеводород «неопентан» состоит из углерода на 83.2%. Определите молекулярную формулу неопентана. если известно. что при температуре 500°С и давлении 3 атм. 1 грамм углеводорода занимает объем 294 мл.

140. Углеводород «нафталин» состоит из углерода на 92.25%. Определите молекулярную формулу нафталина. если известно. что при температуре 250°С и давлении 0.3 атм. 1 грамм углеводорода занимает объем 1.100 л.

141. Углеводород «дурол» состоит из углерода на 89.9%. Определите молекулярную формулу дурола. если известно. что при температуре 400°С и давлении 1.5 атм. 1 грамм углеводорода занимает объем 307 мл.

142. Углеводород «адамантан» состоит из углерода на 88.2%. Определите молекулярную формулу адамантана. если известно. что при температуре 75°С и давлении 0.03 атм. 1 грамм углеводорода занимает объем 7.00 л.

143. Углеводород «стирол» состоит из углерода на 92.25%. Определите молекулярную формулу стирола. если известно. что при температуре 200°С и давлении 7 атм. 1 грамм углеводорода занимает объем 53.3 мл.

ПРИМЕЧАНИЕ 4: Для проверки правильно ли определена молекулярная формула органического соединения, можно использовать следующие правила (упрощенный вариант правил, используемых при интерпретации данных по масс-спектроскопии):

• Углеводороды С_хН_у с числом атомов углерода. меньшим. чем 15 имеют четное значение молекулярной массы (для x > 15 измеряемое значение молярной массы вещества становится нечетным из-за накопления сотых доле атомной единицы массы; А(С) = 12.011 г/моль и А(Н) = 1.008 г/моль).

• Для углеводородов, кислородсодержащих и серусодержащих органических соединений, а также для веществ, в составе которых одновременно имеется кислород и сера (C_xH_y. C_xH_yO_z. C_xH_yS_z и C_xH_yO_zS_m) число атомов водорода всегда четное независимо от числа атомов углерода, кислорода и серы. Это обусловлено тем, что C. O и S обладают четным значением валентности. Пример: фенилсульфокислота PhSO₃H (С₆Н₆О₃S), каротен – С₄₀Н₅₆, дезоксирибоза – С₅Н₁₀О₄

• Если в органическом соединении имеется нечетное число атомов, проявляющих нечетную валентность (азот, галогены. фосфор и т.п.). то в данном соединении число атомов водорода – нечетное. Пример: гуанин – С₅Н₅N₅O, тирозин – С₉Н₁₁NO₃, хлорвинил – С₂Н₃Cl.

• Если в органическом соединении имеется четное число атомов, проявляющих нечетную валентность (азот, галогены. фосфор и т.п.). то в данном соединении число атомов водорода – четное. Пример: аргинин – С₆Н₁₄N₄O₂, 2-дезоксирибо-5-дифосфат – С₅H₁₂Р₂O₁₀.

Содержание элементов в органических веществах чаще всего определяется с помощью сжигания пробы вещества в атмосфере кислорода и определения количеств продуктов сгорания (метод анализа прокаливанием или сжиганием был разработан Юстасом Либихом еще в 18 веке). При отсутствии в органической пробе атомов галогенов сжигание приводит к образованию смеси оксидов (оксид углерода. вода. оксид серы(IV); твердые оксиды фосфора(V) и других p- и d-элементов для элементоорганических соединений) и молекулярного азота:

С_хН_уО_zN_nP_mMg_k... + O₂ x CO₂ + (y/2) H₂O + (n/2) N₂ + (m/2) P₂O₅ + k MgO + …

При наличии в составе соединения галогенов сжигание проводят в двух режимах – в недостатке и избытке кислорода.

В первом случае галоген связывается с водородом, образуя галогеноводород, который затем поглощается с образованием нерастворимых галогенидов серебра:

С_хН_уHal_z + О₂(недостаток)  х СО₂ + z HHal + (y-z)/2 H₂O (если y > z)

С_хН_уHal_z + О₂(недостаток)  х СО₂ + y HHal + (z-y)/2 Hal₂ (если y < z)

(если органическое соединение пергалогенированное. то есть в нем все атомы водорода замещены на атомы галогена, то продуктами сгорания в избытке кислорода являются только углекислый газ и свободный галоген).

Во втором случае избыток кислорода разрушает галогеноводород, и продуктами сгорания являются углекислый газ, вода и свободный галоген:

С_хН_уHal_z + О₂(избыток)  х СО₂ + y/2 H₂O + z/2 Hal₂

Определение количеств галогена или галогеноводорода по результатам обоих вариантов сжигания позволяет определить количество атомов галогена, углерода и водорода в органическом соединении.