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): Целые числа (1 и 3) получены делением числа 0,2 на число 0,0666. Число 0,0666 примем за 1. Число 0,2 в 3 раза больше, чем число 0,0666. 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.
Определение формулы вещества зависит от точности математических вычислений. При нахождении значения ν элемента следует учитывать хотя бы два знака после запятой и аккуратно производить округление чисел. Например, 0,8878 ≈ 0,89 но не 1.
Соотношение атомов в молекуле не всегда определяется простым делением полученных чисел на меньшее число. Рассмотрим этот случай на следующем примере.
Задача 1. Установите формулу вещества, которое состоит из углерода (ω=25%) и алюминия (ω=75%). Разделим 2,08 на 2. Полученное число 1,04 не укладывается целое число раз в числе 2,78 (2,78 : 1,04 = 2,67 : 1). Теперь разделим 2,08 на 3. При этом получается число 0,69, которое укладывается ровно 4 раза в числе 2,78 и 3 раза в числе 2,08. Следовательно, индексы x и y в формуле вещества AlxCy равны 4 и 3, соответственно.
ответ: Al4C3 (карбид алюминия).
Более сложным вариантом задач на вывод формул соединений является случай, когда состав вещества задается через продукты сгорания этих соединений.
Задача 2. При сжигании углеводорода массой 8,316 г образовалось 26,4 г CO2. Плотность вещества при нормальных условиях равна 1,875 г/мл. Найдите его молекулярную формулу.
a)Cu->CuO->CuSO4->Cu(OH)2->CuO->Cu
2Cu + O2 = 2CuO
CuO + SO3 = CuSO4
CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2 ↓ + Na2SO4
Cu(OH)2 = (над равно t) СuO + H2O
CuO + H2 = Cu + H2O
b)P->P2O5->H3PO4->Ca(PO4)2
4P + 5O2 = 2P2O5
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
2H3PO4 + 3CaO = Ca3(PO4)2 ↓ + 3H2O
D)Li->Li2O->LiOH->Li2SO4
4Li + O2 = 2Li2O
Li2O + H2O = 2LiOH
2LiOH + H2SO4 = Li2SO4 + 2H2O