Этот вид расчетов чрезвычайно важен для химической практики, т.к. позволяет на основании экспериментальных данных определить формулу вещества (простейшую и молекулярную). На основании данных качественного и количественного анализов химик находит сначала соотношение атомов в молекуле (или другой структурной единице вещества), т.е. его простейшую формулу.
Например, анализ показал, что вещество является углеводородом CxHy, в котором массовые доли углерода и водорода соответственно равны 0,8 и 0,2 (80% и 20%). Чтобы определить соотношение атомов элементов, достаточно определить их количества вещества (число молей):
Таким образом, CH3 является простейшей формулой данного вещества. Соотношению атомов C и H, равному 1: 3, соответствует бесчисленное количество формул: C2H6, C3H9, C4H12 и т.д., но из этого ряда только одна формула является молекулярной для данного вещества, т.е. отражающей истинное количество атомов в его молекуле. Чтобы вычислить молекулярную формулу, кроме количественного состава вещества, необходимо знать его молекулярную массу. Для определения этой величины часто используется значение относительной плотности газа D. Так, для вышеприведенного случая DH2 = 15.
Тогда M(CxHy) = 15 M(H2) = 15•2 г/моль = 30 г/моль.
Поскольку M(CH3) = 15, то для соответствия с истинной молекулярной массой необходимо удвоить индексы в формуле. Следовательно, молекулярная формула вещества: C2H6.
Алгоритм 1. Решение расчетных задач на вывод
молекулярной формулы вещества по массовым долям элементов
Задача 1. Найти молекулярную формулу вещества, содержащего 81,8% углерода и 18,2% водорода. Относительная плотность вещества по азоту равна 1,57.
Решение
1. Записать условие задачи.
2. Вычислить относительную молекулярную массу Mr (C х H y) по относительной плотности:
3. Найти индексы х и y по отношению 
:
4. Записать простейшую формулу: С3Н8.
Проверка: Мr (C3H8) = 44, следовательно, C3H8 – истинная формула.
Задача 2. Найти молекулярную формулу предельного углеводорода, массовая доля углерода в котором 83,3%.
Решение
1. Записать условие задачи.
2. Найти массовую долю водорода:
(Н) = 100% – 83,3% = 16,7%.
3. Найти индексы и простейшую формулу для углеводородаC х H y:
следовательно, простейшая формула – C2H5.
4. Найти истинную формулу. Поскольку общая формула алканов С n H2 n +2, то истинная формула – С4Н10.
Алгоритм 2. Решение расчетных задач на вывод
молекулярной формулы вещества по массе (объему) продуктов сгорания
Задача 3. При сжигании 29г углеводорода образовалось 88г углекислого газа и 45 г воды, относительная плотность вещества по воздуху равна 2. Найти молекулярную формулу углеводорода.
Решение
1. Записать условие задачи.
2. Найти относительную молекулярную массу вещества:
Mr = D возд• Мr (возд.),
Mr (C х H y)= 2•29 = 58.
3. Найти количество вещества образовавшегося оксида углерода(IV):
4. Найти количество вещества углерода в сожженном веществе:
(C) = (CO2) = 2 моль.
5. Найти количество вещества воды:
(H2O) = 45/18 = 2,5 моль.
6. Найти количество вещества водорода в сожженном веществе:
(H) = 2 (H2O),
(H) = 2,5•2 = 5 моль.
7. Найти простейшую формулу углеводорода:
(C): (Н) = 2: 5,
следовательно, простейшая формула – С2Н5.
8. Найти истинную формулу углеводорода:
Мr (C2H5) = 29,
Mr (C х H y) = 58,
следовательно, истинная формула – C4H10.
Задача 4. При сжигании 5,6 л (н.у.) газообразного органического вещества было получено 16,8 л (н.у.) углекислого газа и 13,5 г воды. Масса 1 л исходного вещества при н.у. равна 1,875 г. Найти его молекулярную формулу.
Решение
1. Записать условие задачи.
2. Найти молекулярную массу вещества из пропорции:
1 л газа – 1,875 г,
22,4 л – m г.
Отсюда m = 42 г, M = 42 г/моль.
3. Найти количество вещества углекислого газа и углерода:
(CO2) = 16,8/22,4 = 0,75 моль,
(C) = 0,75 моль.
4. Найти количества веществ воды и водорода:
(H2O) = 13,5/18 = 0,75 моль,
(H) = 0,75•2 = 1,5 моль.
5. Найти сумму масс углерода и водорода:
m (C) + m (H) = 0,75•12 +1,5•1 = 10,5 г.
6. Найти массу сожженного вещества:
Следовательно, вещество содержит только углерод и водород.
7. Найти простейшую формулу углеводородаC х H y:
(C): (H) = 0,75: 1,5 = 1: 2,
следовательно, простейшая формула – СН2.
8. Найти истинную формулу углеводорода:
Mr (CH2) = 14,
Mr (в-ва): Mr (CH2) = 42: 14 = 3,
следовательно, истинная формула – С3Н6.
Задачи для самостоятельного решения:
Задача 1. Установите молекулярную формулу монохлоралкана (просто хлоралкана), содержащего 38,38% хлора. Приведите графические формулы и названия всех соединений, отвечающих данной формуле.
Задача 2. Установите молекулярную формулу алкена и продукта взаимодействия его с 1 моль бромоводорода, если это монобромпроизводное имеет относительную плотность по воздуху 4,24. Укажите название исходного алкена и одного его изомера.
Задача 3. Установите молекулярную формулу алкена, если одно и то же количество его, взаимодействуя с различными галогеноводородами, образует, соответственно, 5,23 г хлорпроизводного или 8,2 г бромпроизводного.
Задача 4. Установите молекулярную формулу алкена, если известно, что 1,012 л (н.у.) его при взаимодействии с хлором образует 5,09 г дихлорпроизводного.
Задача 5. При полном сгорании 3,9 г углеводорода образовалось 13,2 г углекислого газа и 2,7 г воды. Плотность паров вещества 3,482г/л. Выведите молекулярную формулу.
Задача 6. При взаимодействии 1,74 г алкана с бромом образовалось 4,11 г монобромпроизводного. Определите молекулярную формулу алкана. Запишите структурные формулы названия возможных изомеров.
Задача 7. При полном сгорании неизвестной массы углеводорода образовалось 4,48 л углекислого газа и 3,6г воды. Относительная плотность вещества по водороду равна 14. Выведите молекулярную формулу углеводорода.