Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №8/2003

В помощь молодому учителю

Вывод химической формулы

Задачи по выводу химической формулы предлагаются в учебниках 9-го класса [1, с. 29, 158–159], 10-го класса [2, с. 23, 50, 102, 114, 138], 11-го класса [3, с. 14, 71]. В учебнике Л.С.Гузея и др. «Химия-8» (М.: Дрофа, 1995, с. 44) нахождение химической формулы рассматривается в самом начале курса. Однако известная схематичность изложения материала в учебниках наряду с прогрессирующей из года в год тенденцией неумения школьников справиться с задачами такого типа позволяет обратиться к этому вопросу еще раз.

Одна из главных проблем органической химии – определение порядка расположения атомов в молекулах. Первым шагом на пути установления структурной формулы вещества (каким образом атомы соединены друг с другом в молекуле) становится нахождение молекулярной формулы, т. е. следует узнать, атомы каких видов и в каком числе входят в состав молекулы (качественный и количественный состав вещества). Например:

Качественный элементный анализ. Углерод и водород в соединении определяют сжиганием. Нагревание углеводорода в присутствии оксида меди(II) сопровождается превращением углерода в диоксид углерода, водорода – в воду:

Выделяющуюся в реакции воду обычно улавливают осушителями типа CaCl2.
Выделение СО2 можно обнаружить по помутнению известковой или баритовой воды, т. е. насыщенных растворов
Са(ОН)2 или Ва(ОН)2. Помутнение этих растворов при действии СО2 происходит вследствие образования осадков СаСО3 или ВаСО3, например:

Наличие галогена во многих случаях можно определить, нагревая в течение нескольких минут спиртовой раствор вещества RX (где Х – хлор, бром, йод) с нитратом серебра. О присутствии галогена свидетельствует образование осадка АgX, нерастворимого в разбавленной азотной кислоте:

Винильные и арильные галогениды типа СН2=СНХ и АrX (хлор прочно связан) не реагируют с AgNO3.
Количественный элементный анализ на С, Н и Наl. Зная, какие элементы входят в состав вещества, можно определить их соотношение. Для этого проводят такой же анализ, но на количественной основе. Например, чтобы найти массовые доли углерода и водорода в метане, следует окислить навеску метана и взвесить образовавшиеся СО2 и Н2О.
При количественном сжигании взвешенный образец органического соединения пропускают через трубку с оксидом меди, нагретую до температуры 600–800 °С, а затем через трубку с осушителем (перхлорат магния МgСlО4) и трубку с сильным основанием (гидроксид натрия NaOH на асбесте). Вода адсорбируется осушителем, диоксид углерода – основанием. Увеличение массы каждой трубки указывает на массу образующихся продуктов.

Пример. При сжигании 9,65 мг метана получили 26,53 мг СО2 и 21,56 мг H2O.
Решение. Для СО2 массовая доля

Простейшая формула показывает относительные числа атомов разных видов в молекуле. Для вывода простейшей формулы сложного вещества достаточно знать массовое содержание (или процентный состав) и атомные массы образующих данное вещество элементов.
Для вещества формулы CaHb соотношение чисел индексов а:b = m(C)/M(C) : m(Н)/M(Н) или %(С)/М(С) : %(Н)/М(Н).

Пример 1. Вывести формулу метана CaHb, зная его состав: C = 75,0%, Н = 25,0%.
Решение. Масса атома углерода Аr(С) = 12 а.е.м. и водорода Аr(Н) = 1 а.е.м., поэтому масса всех атомов углерода, содержащихся в молекуле CaHb, равна 12а и масса атомов водорода равна 1b. Отношение этих маcс выражает состав молекулы метана, который выражается также соотношением 75,0:25,0. Приравняв два отношения, получим пропорцию: 12а:1b = 75,0:25,0.
Освободимся от коэффициентов при а и b путем деления первых членов обоих отношений на коэффициент при а и вторых членов на коэффициент при b:

а:b = 75,0/12:25,0/1 = 6,25:25,0.

Полученная пропорция показывает, что в молекуле метана на 6,25 атома углерода приходится 25,0 атома водорода. Но в молекуле может содержаться только целое число атомов. Чтобы выразить отношение а:b целыми числами, разделим оба члена правого отношения на меньший из них:

а:b = 6,25/6,25 : 25,0/6,25 = 1:4.

Простейшая формула метана СН4 является в то же время и истинной, т. к. димерная С2Н8 и полимерные формы СnH4n не реализуются при условии валентности С(IV) и H(I).
Подобным образом выводится простейшая формула вещества, состоящего не из двух, а из трех и более элементов. Сведения о молекулярной массе содержат действительное число атомов в молекуле и позволяют перейти от простейшей к истинной молекулярной формуле. Так, простейшей формуле СН соответствуют соединения: ацетилен С2Н2, бензол С6Н6, циклооктатетраен С8Н8.
Наличие или отсутствие других элементов в исследуемом соединении устанавливают специальными методами, например сплавлением с натрием (для ковалентно связанных атомов галогена, азота и серы):

Другой способ – окисление по Шёнигеру кислородом в присутствии щелочи:

Галоген в органическом соединении превращают в галогенид-анион также нагреванием: а) в бомбе с пероксидом натрия Na2О2 или б) в запаянной трубке с азотной кислотой (метод Кариуса).
Для кислорода отсутствуют простые химические тесты. О наличии или отсутствии кислорода в соединении обычно судят по результатам количественного анализа.

Пример 2. По данным элементного анализа этиловый спирт содержит 52,1% углерода и 13,1% водорода. Почему считают, что в состав этилового спирта входит кислород? Какое процентное содержание кислорода в этом соединении?
Решение. В пределах ошибки опыта общее содержание элементов в веществе должно составлять 100%. Если анализ показывает меньшую величину, то вещество содержит кислород. В этаноле процентное содержание кислорода составляет:

100 – 52,1 – 13,1 = 35,8.

Соотношение числа атомов в молекуле CaHbОс равно:

а:b:с = 52,1/12:13,1/1:35,8/16 = 4,34:13,1:2,24 = 1,94:5,85:1 2:6:1.

Простейшая формула – С2Н6О, ей соответствует истинная структурная формула спирта

СН3СН2ОН.

Пример 3. Вычислить процентный состав и формулу соединения, если при сжигании навески образца 8,23 мг образуется 9,62 мг СО2 и 3,94 мг воды. Анализ навески того же вещества массой 5,32 мг по методу Кариуса дает 13,49 мг хлорида серебра.
Решение. Содержание элементов в навеске 8,23 мг вещества:

Проверим, содержится ли кислород в соединении:

х = 8,23•3,34/5,32 = 5,17 мг хлора.

Суммарная масса элементов С, Н и Сl для навески 8,23 мг равна:

m(C) + m(Н) + m(Cl) = 2,625 + 0,44 + 5,17 = 8,235 г.

Кислород не входит в состав вещества. Соединение имеет формулу CaHbСlc.
Соотношение индексов

а:b:с = m(C)/M(C):m(Н)/M(Н):m(Cl)/M(Cl) =

2,625/12,01:0,44/1,00:5,17/35,45 = 0,22:0,44:0,15.

Разделим все члены отношения на меньшее из чисел этого отношения и получим: 1,5:2,9:1 = 3:6:2.
Простейшая формула вещества – С3Н6Сl2. Другого соединения c таким же соотношением числа атомов, например С6Н12Сl4, не существует, значит, С3Н6Сl2 – истинная молекулярная формула. Ей отвечают четыре изомера:

СН3СН2СНСl2, СН3ССl2СH3,
СlСН2СН2СН2Сl, ClСН2СНСlСН3.

Молекулярная формула. Для нахождения истинной молекулярной формулы часто необходимо знать молярную массу вещества М, которую можно рассчитать по относительной плотности D газа или паров жидкости. Например,

М(вещества) = DH2M(H2),
М(вещества) = DвоздM(возд.),

где М(возд.) = 29 г/моль. Молярную массу находят, зная плотность газа или пара жидкости (, г/л), при этом М = VM (VM = 22,4 л/моль, молярный объем газа). Современным физико-химическим методом определения молекулярной массы является масс-спектрометрия.
А как приписать истинной молекулярной формуле индивидуальную структурную формулу, если возможно несколько изомеров? Главный инструмент здесь – спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Но об этом – в следующий раз.

ЗАДАЧИ

1. Выведите простейшую формулу органического соединения, которое содержит, в %:

а) С – 29,8, Н – 6,3, Сl – 44,0;
б) C – 48,7, Н – 13,6, N – 37,8;
в) С – 25,2, Н – 2,8, Cl – 49,6.

(Помните, кислород в анализе обычно не определяется.)

2. Качественный анализ папаверина, одного из алкалоидов опиума, показывает наличие атомов С, Н и N. Согласно количественному анализу папаверин в своем составе содержит, в %: C – 70,8, Н – 6,2 и N – 4,1. Определите простейшую формулу папаверина.
3. Известный краситель индиго, по данным анализа, содержит, в %: C – 73,3, H – 3,8 и N – 10,7. Какая молекулярная формула индиго, если его относительная молекулярная масса 262?

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1.
а) Вещество содержит кислород: 100 – (29,8 + 6,3 + 44,0) = 19,9%. Общая формула – CaHbСlсОd. Соотношение числа атомов (индексов)

а:b:с:d = 29,8/12:6,3/1:44,0/35,5:19,9/16 = 2,48:6,3:1,24:1,24 = 2:5:1:1.

Простейшая формула – С2Н5СlO, ей соответствуют структурные формулы: СlСН2СН2ОН и СlСН2ОСН3.

б) В состав вещества не входит кислород. Для формулы CaHbNс соотношение

а:b:с = 48,7/12:13,6/1:37,8/14 = 4,06:13,6:2,7 = 1,5:5,04:1 = 3:10:2.

Простейшая формула – С3Н10N2.
Возможные структурные формулы:

Н2NСН2СН2СН22, Н2NСН2СН(NН2)CН3, CH3NHСН2NHСН3 и т. д.

в) Процентное содержание элементов С, H, Cl в сумме составляет: 25,2 + 2,8 + 49,6 = 77,6, значит, вещество содержит также кислород: 100 – 77,6 = 22,4%.
Для формулы CaHbСlсОd соотношение

а:в:с:d = 25,2/12:2,8/1:49,6/35,5:22,4/16 = 2,1:2,8:1,4:1,4 = 3:4:2:2.

Простейшая формула – С3Н4Сl2О2.
Возможные структурные формулы:

Сl2СНСООСН3, СН3ССl2СООH,

ClCH2CH(Cl)СООН, Сl2СНСН2СООН,

СlCН22ОС(O)Cl, СlCН2ОСН2С(O)Сl,

НОСН2С(О)СНCl2.

2. Из анализа следует, что папаверин содержит кислород: 100 – (70,8 + 6,2 + 4,1) = 18,9%. Искомая молекулярная формула – CaHbNсОd. Cоотношение числа атомов (индексов)

а:в:с:d = 70,8/12:6,2/1:4,1/14:18,9/16 = 5,9:6,2:0,3:1,18 = 1,97:20,7:1:3,93 20:21:1:4.

Простейшая формула папаверина – С20Н21NO4.

3. В состав индиго входит кислород, его содержание составляет: 100 – (73,3 + 3,8 + 10,7) = 12,2%. Для молекулярной формулы CaHbNсОd соотношение индексов

а:в:с:d = 73,3/12:3,8/1:10,7/14:12,2/16 = 6,11:3,8:0,76:0,76 = 8:5:1:1.

Простейшая формула вещества – С8Н5NO, его молярная масса М = 131 г/моль. Экспериментальное значение М для индиго cоставляет 262, поэтому истинная молекулярная формула равна удвоенной простейшей, т. е. С16Н10N2O2.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия-9. М.: Просвещение, 1992, 176 с.
2. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия-10. М.: Просвещение, 1991, 160 с.
3. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия-11. М.: Просвещение, 1991, 160 с.

А.Д.ВЯЗЕМСКИЙ