Задача 33 на ЕГЭ по химии. Определение формул органических веществ.

Автор статьи — профессиональный репетитор О. В. Овчинникова.

Задача 33 на ЕГЭ по химии - это определение формулы органического вещества. Часто выпускники теряют баллы на этой задаче. Причин несколько:

1. Некорректное оформление;
2. Решение не математическим путем, а методом перебора;
3. Неверно составленная общая формула вещества;
4. Ошибки при написании требуемых уравнений реакций с участием найденного вещества.

Типы задач в задании 33.

1. 1. Определение молекулярной формулы вещества по массовым долям химических элементов или по общей формуле вещества, а затем его структурной формулы по химическим свойствам;
2. 2. Определение молекулярной формулы вещества по продуктам сгорания, а затем его структурной формулы по химическим свойствам.

Стоит отметить, что во всех подобных заданиях ЕГЭ требуется написать уравнение реакции, в котором принимает участие искомое вещество. Так что знание реакций тоже необходимо.

Необходимые теоретические сведения.

1. Массовая доля элемента в веществе.

   Массовая доля элемента — это его содержание в веществе в процентах по массе.
   Например, в веществе состава \(\rm C_2H_4\) содержится \(2\) атома углерода и \(4\) атома водорода. Если взять \(1\)молекулу такого вещества, то его молекулярная масса будет равна:\(\rm Mr(C_2H_4)=2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 28\) а.е.м. и там содержится \( 2 \cdot 12\) а.е.м. углерода.

   Чтобы найти массовую долю углерода в этом веществе, надо его массу разделить на массу всего вещества:

   \(\rm \omega (C) = 12 \cdot 2 / 28 = 0,857\) или \(85,7\%.\)

   Если вещество имеет общую формулу \(\rm C_xH_yO_z\), то массовые доли каждого их атомов так же равны отношению их массы к массе всего вещества. Масса \(\rm x\) атомов \(\rm C\) равна \(\rm - 12x\), масса \(\rm y\) атомов \(\rm H - y\), масса \(\rm z\) атомов кислорода \(\rm - 16z\)

   Тогда

   \(\rm \omega (C) = 12 \cdot x / (12x + y + 16z)\)

   Если записать эту формулу в общем виде, то получится следующее выражение:

   Массовая доля атома Э в веществе   =	Атомная масса атома Э	•	число атомов Э в	молекуле
   	Аr(Э) • z
   	——————
   	Mr(вещ.)
   	Молекулярная масса вещества

2. Молекулярная и простейшая формула вещества.Молекулярная (истинная) формула — формула, в которой отражается реальное число атомов каждого вида, входящих в молекулу вещества.

   Например, \(\rm C_6H_6\) — истинная формула бензола.

   Простейшая (эмпирическая) формула — показывает соотношение атомов в веществе.
   Например, для бензола соотношение \(\rm C:H=1:1\), т.е. простейшая формула бензола — \(\rm CH\).
   Молекулярная формула может совпадать с простейшей или быть кратной ей.

   Примеры.

   Вещество	Молекулярная формула	Соотношение атомов	Простейшая формула
   Этанол	\(\rm C_2H_6O\)	\(\rm C:H:O=2:6:1\)	\(\rm C_2H_6O\)
   Бутен	\(\rm C_4H_8\)	\(\rm C:H=1:2\)	\(\rm CH_2\)
   Уксусная кислота	\(\rm C_2H_4O_2\)	\(\rm C:H:O=1:2:1\)	\(\rm CH_2O\)

   Если в задаче даны только массовые доли элементов, то в процессе решения задачи можно вычислить только простейшую формулу вещества. Для получения истинной формулы в задаче обычно даются дополнительные данные — молярная масса, относительная или абсолютная плотность вещества или другие данные, с помощью которых можно определить молярную массу вещества.

3. Относительная плотность газа \(\rm X\) по газу \(\rm Y - D_{noY}(X).\)

   Относительная плотность \(\rm D\) — это величина, которая показывает, во сколько раз газ \(\rm X\) тяжелее газа \(\rm Y\). Её рассчитывают как отношение молярных масс газов \(\rm X\) и \(\rm Y\):

   \(\rm D_{noY}(X) = M(X)/M(Y)\)

   Часто для расчетов используют относительные плотности газов по водороду и по воздуху.

   Относительная плотность газа \(\rm X\) по водороду:

   \(\rm D_{no H_2}=M_{(X)}/M_{(H_2)}=M_{(X)}/2\)

   Воздух — это смесь газов, поэтому для него можно рассчитать только среднюю молярную массу. Её величина принята за \(29\) г/моль (исходя из примерного усреднённого состава).
   Поэтому:

   \(\rm D_B=M_x/29\)

4. Абсолютная плотность газа при нормальных условиях.Абсолютная плотность газа — это масса \(1\) л газа при нормальных условиях. Обычно для газов её измеряют в г/л.

   \(\rm \rho = m/V\)

   Если взять \(1\) моль газа, то тогда:

   \(\rm \rho = M/V_m\),

   а молярную массу газа можно найти, умножая плотность на молярный объём.

5. Общие формулы веществ разных классов.

   Часто для решения задач с химическими реакциями удобно пользоваться не обычной общей формулой, а формулой, в которой выделена отдельно кратная связь или функциональная группа.

   Класс органических веществ	Общая молекулярная формула	Формула с выделенной кратной связью и функциональной группой
   Алканы	\(\rm C_nH_{2n+2}\)	—
   Алкены	\(\rm C_nH_{2n}\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-CH=CH_2\)
   Алкины	\(\rm C_nH_{2n-2}\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-C \equiv CH\)
   Диены	\(\rm C_nH_{2n-2}\)	—
   Гомологи бензола	\(\rm C_nH_{2n-6}\)	\(\rm C_6H_5-C_nH_{2n+1}\)
   Предельные одноатомные спирты	\(\rm C_nH_{2n+2}O\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-OH\)
   Многоатомные спирты	\(\rm C_nH_{2n+2}O_x\)	\(\rm C_nH_{2n+2-x}(OH)_x\)
   Предельные альдегиды	\(\rm C_nH_{2n}O\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-\overset{\displaystyle O}{\overset{\parallel }{C}}-H\)
   Кетоны	\(\rm C_nH_{2n}O\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-\overset{\displaystyle O}{\overset{\parallel }{C}}-O-C_mH_{2m+1}\)
   Фенолы	\(\rm C_nH_{2n-6}O\)	\(\rm C_6H_5(C_nH_{2n})-OH\)
   Предельные карбоновые кислоты	\(\rm C_nH_{2n}O_2\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-\overset{\displaystyle O}{\overset{\parallel }{C}}-OH\)
   Сложные эфиры	\(\rm C_nH_{2n}O_2\)	\(\rm C_nH_{2n+1}-\overset{\displaystyle O}{\overset{\parallel }{C}}-O-C_mH_{2m+1}\)
   Амины	\(\rm C_nH_{2n+3}N\)	\(\rm C_nH_{2n+1}NH_2\)
   Аминокислоты (предельные одноосновные)	\(\rm C_nH_{2n+1}NO_2\)	\(\rm NH_2-\mkern -40mu \underset{\displaystyle \mkern 50mu C_nH_{2n+1}}{\underset{\mid}{CH}}\mkern -44mu -\overset{\displaystyle O}{\overset{\parallel }{C}}-OH\)

Определение формул веществ по массовым долям атомов, входящих в его состав.

Решение таких задач состоит из двух частей:

• сначала находят мольное соотношение атомов в веществе — оно соответствует его простейшей формуле. Например, для вещества состава \(\rm A_xB_y\) соотношение количеств веществ \(\rm A\) и \(\rm B\) соответствует соотношению числа их атомов в молекуле:

  \(\rm x:y=n(A):n(B)\)

• затем, используя молярную массу вещества, определяют его истинную формулу.

1. Пример 1.
   Определить формулу вещества, если оно содержит \(\rm 84,21\% C\) и \(\rm 15,78\% H\) и имеет относительную плотность по воздуху, равную \(3,93\).

Решение примера 1.

1. Пусть масса вещества равна \(\rm 100\) г. Тогда масса \(\rm C\) будет равна \(\rm 84,21\) г, а масса \(\rm H - 15,79\) г.
2. Найдём количество вещества каждого атома:

   \(\rm \nu (C) = m / M = 84,21 / 12 = 7,0175\) моль,

   \(\rm \nu (H) = 15,79 / 1 = 15,79\) моль.

3. Определяем мольное соотношение атомов \(\rm C\) и \(\rm H\):

   \(\rm C:H=7,0175:15,79\) (сократим оба числа на меньшее) \(\rm = 1:2,25\) (домножим на \(4\)) \(=4:9.\)

   Таким образом, простейшая формула \(\rm - C_4H_9\). Однако вещества с такой формулой не существует. Для нахождения молекулярной формулы нам потребуется домножать простейшую формулу на небольшие числа: 2, 3 и т. п. Например при домножении эмпирической формулы на 2 мы получаем алкан, имеющий в своём составе 8 атомов углерода: \(\rm - C_8H_{18}\).
   Чтобы проверить, правильна ли найденная нами формула, необходимо использовать дополнительные данные, которые всегда указаны в задаче. Это могут быть либо химические свойства вещества, либо информация, позволяющая вычислить его молярную массу. В данном случае дана относительная плотность соединения по воздуху.

4. По относительной плотности рассчитаем молярную массу:

   \(\rm M = D_{(B)} \cdot 29 = 114\) г/моль.

   Молярная масса, соответствующая простейшей формуле \(\rm C_4H_9 - 57\) г/моль, это в \(2\) раза меньше истинно молярной массы.

   Значит, истинная формула \(\rm C_8H_{18}\).

Есть гораздо более простой метод решения такой задачи, но, к сожалению, за него не поставят полный балл. Зато он подойдёт для проверки истинной формулы, т.е. с его помощью вы можете проверить своё решение.

Метод 2: Находим истинную молярную массу (\(114\) г/моль), а затем находим массы атомов углерода и водорода в этом веществе по их массовым долям.

\(\rm m(C) = 114 \cdot 0,8421 = 96;\) т.е. число атомов \(\rm C 96/12 = 8\)

\(\rm m(H) = 114 \cdot 0,1579 = 18;\) т.е число атомов \(\rm H 18/1 = 18.\)

Формула вещества \(\rm C_8H_{18}\).

1. Пример 2.
   Определить формулу алкина с плотностью \(2,41\) г/л при нормальных условиях.

Решение примера 2.

Общая формула алкина \(\rm C_nH_{2n-2}\)

Как, имея плотность газообразного алкина, найти его молярную массу? Плотность \(\rm \rho\) — это масса \(1\) литра газа при нормальных условиях.

Так как \(1\) моль вещества занимает объём \(22,4\) л, то необходимо узнать, сколько весят \(\rm 22,4\) л такого газа:

\(\rm M=(\)плотность \(\rm \rho ) \cdot (\)молярный объём \(\rm V_m=2,41\) г/л \(\cdot 22,4\) л/моль = \(54\) г/моль.

Далее, составим уравнение, связывающее молярную массу и \(\rm n\):

\(\rm 14 \cdot n - 2 = 54,\ n = 4.\)

Значит, алкин имеет формулу \(\rm C_4H_6.\)

1. Пример 3.
   Определить формулу предельного альдегида, если известно, что \(3 \cdot 10^{22}\) молекул этого альдегида весят \(4,3\) г.

Решение примера 3.

В этой задаче дано число молекул и соответствующая масса. Исходя из этих данных, нам необходимо вновь найти величину молярной массы вещества.

Для этого нужно вспомнить, какое число молекул содержится в \(1\) моль вещества.

Это число Авогадро: \(\rm N_a = 6,02 \cdot 10^{23}\) (молекул).

Значит, можно найти количество вещества альдегида:

\(\rm \nu = N / Na = 3 \cdot 1022 / 6,02 \cdot 1023 = 0,05\) моль,

и молярную массу:

\(\rm M = m / n = 4,3 / 0,05 = 86\) г/моль.

Далее, как в предыдущем примере, составляем уравнение и находим \(\rm n\).

Общая формула предельного альдегида \(\rm C_nH_{2n}O\), то есть \(\bf M = 14n + 16 = 86,\ n = 5.\).

1. Пример 4.
   Определить формулу дихлоралкана, содержащего \(31,86\%\) углерода.

Решение примера 4.

Общая формула дихлоралкана: \(\rm C_nH_{2n}Cl_2\), там \(2\) атома хлора и \(\rm n\) атомов углерода.

Тогда массовая доля углерода равна:

\(\rm \omega (C)=(\)число атомов \(\rm C\) в молекуле\() \cdot (\)атомная масса \(\rm C)/(\)молекулярная масса дихлоралкана\()\)

\(\rm 0,3186 = n \cdot 12 / (14n + 71)\)

\(\rm n=3,\) вещество — дихлорпропан.

Определение формул веществ по продуктам сгорания.

В задачах на сгорание количества веществ элементов, входящих в исследуемое вещество, определяют по объёмам и массам продуктов сгорания — углекислого газа, воды, азота и других. Остальное решение — такое же, как и в первом типе задач.

1. Пример 5.
   \(\rm 448\) мл (н. у.) газообразного предельного нециклического углеводорода сожгли, и продукты реакции пропустили через избыток известковой воды, при этом образовалось \(8\) г осадка. Какой углеводород был взят?

Решение примера 5.

1. Общая формула газообразного предельного нециклического углеводорода (алкана) — \(\rm C_nH_{2n+2}\)

   Тогда схема реакции сгорания выглядит так:

   \(\rm C_nH_{2n+2} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O\)

   Нетрудно заметить, что при сгорании \(\bf 1\) моль алкана выделится \(\rm n\) моль углекислого газа.

   Количество вещества алкана находим по его объёму (не забудьте перевести миллилитры в литры!):

   \(\rm \nu (C_nH_{2n+2}) = 0,488 / 22,4 = 0,02\) моль.

2. При пропускании углекислого газа через известковую воду \(\rm Ca(OH)_2\) выпадает осадок карбоната кальция:

   \(\rm CO_2 + Ca(OH)_2 = CaCO_3 + H_2O\)

   Масса осадка карбоната кальция — \(8\) г, молярная масса карбоната кальция \(100\) г/моль.

   Значит, его количество вещества

   \(\rm \nu (CaCO_3) = 8 / 100 = 0,08\) моль.

   Количество вещества углекислого газа тоже \(\rm 0,08\) моль.

3. Количество углекислого газа в \(4\) раза больше чем алкана, значит формула алкана \(\rm C_4H_{10}\).

1. Пример 6.
   Относительная плотность паров органического соединения по азоту равна \(2\). При сжигании \(9,8\) г этого соединения образуется \(15,68\) л углекислого газа (н. у) и \(12,6\) г воды. Выведите молекулярную формулу органического соединения.

Решение примера 6.

Так как вещество при сгорании превращается в углекислый газ и воду, значит, оно состоит из атомов \(\rm C, H\) и, возможно, \(\rm O\). Поэтому его общую формулу можно записать как \(\rm C_xH_yC_z\).

1. Схему реакции сгорания мы можем записать (без расстановки коэффициентов):

   \(\rm C_xH_yO_z + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O\)

   Весь углерод из исходного вещества переходит в углекислый газ, а весь водород — в воду.

2. Находим количества веществ \(\rm CO_2\) и \(\rm H_2O\), и определяем, сколько моль атомов \(\rm C\) и \(\rm H\) в них содержится:

   \(\rm \nu (CO_2) = V / V_m = 15,68 / 22,4 = 0,7\) моль.

   На одну молекулу \(\rm CO_2\) приходится один атом \(\rm C\), значит, углерода столько же моль, сколько \(\rm CO_2\).

   \(\rm \nu (CO_2) = 0,7\) моль

   \(\rm \nu (H_2O) = m / M = 12,6 / 18 = 0,7\) моль.

   В одной молекуле воды содержатся два атома \(\rm H\), значит количество водорода в два раза больше, чем воды.

   \(\rm \nu (H) = 0,7 \cdot 2 = 1,4\) моль.

3. Проверяем наличие в веществе кислорода. Для этого из массы всего исходного вещества надо вычесть массы \(\rm C\) и \(\rm H\).

   \(\rm m(C) = 0,7 \cdot 12 = 8,4\) г, \(\rm m(H) = 1,4 \cdot 1 = 1,4\) г

   Масса всего вещества \(9,8\) г.

   \(\rm m(O) = 9,8 - 8,4 - 1,4 = 0\), т.е.в данном веществе нет атомов кислорода.

   Если бы кислород в данном веществе присутствовал, то по его массе можно было бы найти количество вещества и рассчитывать простейшую формулу, исходя из наличия трёх разных атомов.

4. Дальнейшие действия вам уже знакомы: поиск простейшей и истинной формул.

   \(\rm C : H = 0,7 : 1,4 = 1 : 2\)

   Простейшая формула \(\rm CH_2\).

5. Истинную молярную массу ищем по относительной плотности газа по азоту (не забудьте, что азот состоит из двухатомных молекул \(\rm N_2\) и его молярная масса \(28\) г/моль):

   \(\rm M = D_{no\ N_2} \cdot M_{(N_2)} = 2 \cdot 28 = 56\) г/моль.

   Истиная формула \(\rm CH_2\), её молярная масса \(14\).

   \(56/14=4\)

   Истинная формула \(\rm C_4H_8\).

1. Пример 7.
   Определите молекулярную формулу вещества, при сгорании \(9\) г которого образовалось \(17,6\) г \(\rm CO_2,\ 12,6\) г воды и азот. Относительная плотность этого вещества по водороду — \(22,5\). Определить молекулярную формулу вещества.

Решение примера 7.

1. Вещество содержит атомы \(\rm C,H\) и \(\rm N\). Так как масса азота в продуктах сгорания не дана, её надо будет рассчитывать, исходя из массы всего органического вещества.
   Схема реакции горения:

   \(\rm C_xH_yO_z + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + N_2\)

2. Находим количества веществ \(\rm CO_2\) и \(\rm H_2O\), и определяем, сколько моль атомов \(\rm C\) и \(\rm H\)в них содержится:
   \(\rm \nu (CO_2) = m / M = 17,6 / 44 = 0,4\) моль.

   \(\rm \nu (C) = 0,4\) моль.

   \(\rm \nu (H_2O) = m / M = 12,6 / 18 = 0,7\) моль.

   \(\rm \nu (H) = 0,7 \cdot 2 = 1,4\) моль.

3. Находим массу азота в исходном веществе.

   Для этого из массы всего исходного вещества надо вычесть массы \(\rm C\) и \(\rm H\).

   \(\rm m(C) = 0,4 \cdot 12 = 4,8\) г,

   \(\rm m(H) = 1,4 \cdot 1 = 1,4\) г

   Масса всего вещества \(\rm 9,8\) г.

   \(\rm m(N) = 9 - 4,8 - 1,4 = 2,8\) г ,

   \(\rm \nu (N) = m /M = 2,8 / 14 = 0,2\) моль.

4. \(\rm C : H : N = 0,4 : 1,4 : 0,2 = 2 : 7 : 1\)

   Простейшая формула — \(\rm C_2H_7N\)

   Истинная молярная масса

   \(\rm M = D_{no\ H_2} \cdot M_{(H_2)} = 22,5 \cdot 2 = 45\) г/моль.

   Она совпадает с молярной массой, рассчитанной для простейшей формулы. То есть это и есть истинная формула вещества.

1. Пример 8.
   Вещества содержит \(\rm C, H, O\) и \(\rm S\). При сгорании \(11\) г его выделилось \(8,8\) г \(\rm CO_2,\ 5,4\) г \(\rm H_2O\), а сера была полностью переведена в сульфат бария, масса которого оказалась равна \(23,3\) г. Определить формулу вещества.

Решение примера 8.

Формулу заданного вещества можно представить как \(\rm C_xH_yS_zO_k\) При его сжигании получается углекислый газ, вода и сернистый газ, который затем превращают в сульфат бария. Соответственно, вся сера из исходного вещества превращена в сульфат бария.

1. Находим количества веществ углекислого газа, воды и сульфата бария и соответствующих химических элементов из исследуемого вещества:
   \(\rm \nu (CO_2) = m/M = 8,8/44 = 0,2\) моль.

   \(\rm \nu (C) = 0,2\) моль.

   \(\rm \nu (H_2O) = m / M = 5,4 / 18 = 0,3\) моль.

   \(\rm \nu (H) = 0,6\) моль.

   \(\rm \nu (BaSO_4) = 23,3 / 233 = 0,1\) моль.

   \(\rm \nu (S) = 0,1\) моль.

2. Рассчитываем предполагаемую массу кислорода в исходном веществе:
   \(\rm m(C) = 0,2 \cdot 12 = 2,4\) г

   \(\rm m(H) = 0,6 \cdot 1 = 0,6\) г

   \(\rm m(S) = 0,1 \cdot 32 = 3,2\) г

   \(\rm m(O) = m_{ucx.} - m(C) - m(H) - m(S) = 11 - 2,4 - 0,6 - 3,2 = 4,8\) г,

   \(\rm \nu (O) = m / M = 4,8 / 16 = 0,3\) моль

3. Находим мольное соотношение элементов в веществе:

   \(\rm C : H : S : O = 0,2 : 0,6 : 0,1 : 0,3 = 2 : 6 : 1 : 3\)

   Формула вещества \(\rm C_2H_6SO_3\)

   Надо отметить, что таким образом мы получили только простейшую формулу.

   Однако, полученная формула является истинной, поскольку при попытке удвоения этой формулы \(\rm (C_4H_{12}S_2O_6)\) получается, что на 4 атома углерода, помимо серы и кислорода, приходится 12 атомов Н, а это невозможно.

Определение формул веществ по химическим свойствам.

1. Пример 9.
   Определить формулу алкадиена, если г его могут обесцветить \(80\) г \(2\%\)-го раствора брома.

Решение примера 9.

1. Общая формула алкадиенов — \(\bf C_nH_{2n-2}\).

   Запишем уравнение реакции присоединения брома к алкадиену, не забывая, что в молекуле диена две двойные связи и, соответственно, в реакцию с \(1\) моль диена вступят \(2\) моль брома:

   \(\rm C_nH_{2n-2} + 2Br_2 \rightarrow C_nH_{2n-2}Br_4\)

2. Так как в задаче даны масса и процентная концентрация раствора брома, прореагировавшего с диеном, можно рассчитать количества вещества прореагировавшего брома:
   \(\rm m(Br_2) = m_{p-pa} \cdot \omega = 80 \cdot 0,02 = 1,6\) г

   \(\rm \nu (Br_2) = m / M = 1,6 / 160 = 0,01\) моль.

3. Так как количество брома, вступившего в реакцию, в \(2\)раза больше, чем алкадиена, можно найти количество диена и (так как известна его масса) его молярную массу:\(\rm \overset{0,005}{C_nH_{2n-2}} + 2Br_2 \rightarrow \overset{0,01}{C_nH_{2n-2}}Br_4\)

   \(\rm M = m / \nu = 3,4 / 0,05 = 68\) г/моль.

4. Находим формулу алкадиена по его общей формул, выражая молярную массу через \(\rm n\):
   \(\rm 14n- 2 = 68\)

   \(\rm n=5.\)

   Это пентадиен \(\rm C_5H_8\).

1. Пример 10.
   При взаимодействии \(0,74\) г предельного одноатомного спирта с металлическим натрием выделился водород в количестве, достаточном для гидрирования \(\rm 112\) мл пропена (н. у.). Что это за спирт?

Решение примера 10.

1. Формула предельного одноатомного спирта — \(\rm C_nH_{2n+1}OH\) Здесь удобно записывать спирт в такой форме, в которой легко составить уравнение реакции — т.е. с выделенной отдельно группой \(\rm OH\).
2. Составим уравнения реакций (нельзя забывать о необходимости уравнивать реакции):
   \(\rm 2C_nH_{2n+1}OH + 2Na \rightarrow 2C_nH_{2n+1}ONa + H_2\)

   \(\rm C_3H_6 + H_2 \rightarrow C_3H_8\)

3. Можно найти количество пропена, а по нему — количество водорода. Зная количество водорода, по реакции находим количество вещества спирта:
   \(\rm \nu (C_3H_6) = V / V_m = 0,112 / 22,4 = 0,005\) моль => \(\rm \nu (H_2) = 0,005\) моль,

   \(\rm \nu_{cn.} = 0,005 \cdot 2 = 0,01\) моль.

4. Находим молярную массу спирта и \(\rm n\):
   \(\rm M_{cn.} = m / \nu = 0,74 / 0,01 = 74\) г/моль,

   \(\rm 14n + 18 = 74\)

   \(\rm 14n = 56\)

   \(\rm n=4\)

   Спирт — бутанол \(\rm C_4H_7OH\).

1. Пример 11.
   Определить формулу сложного эфира, при гидролизе \(2,64\) г которого выделяется \(1,38\) г спирта и \(1,8\) г одноосновной карбоновой кислоты.

Решение примера 11.

1. Общую формулу сложного эфира, состоящего из спирта и кислоты с разным числом атомов углерода можно представить в таком виде:

   \(\rm C_nH_{2n+1}COOC_mH_{2m+1}\)

   Соответственно, спирт будет иметь формулу

   \(\rm C_mH_{2m+1}OH\),

   а кислота

   \(\rm C_nH_{2n+1}COOH\).

   Уравнение гидролиза сложного эфира:

   \(\rm C_nH_{2n+1}COOC_mH_{2m+1} + H_2O \rightarrow C_mH_{2m+1}OH + C_nH_{2n+1}COOH\)

2. Согласно закону сохранения массы веществ, сумма масс исходных веществ и сумма масс продуктов реакции равны.

   Поэтому из данных задачи можно найти массу воды:

   \(\rm m_{H_2O}\) = (масса кислоты) + (масса спирта) − (масса эфира) = \(\rm 1,38 + 1,8 - 2,64 = 0,54\) г

   \(\rm \nu_{H_2O} = m / M = 0,54 / 18 = 0,03\) моль

   Соответственно, количества веществ кислоты и спирта тоже равны моль.

   Можно найти их молярные массы:

   \(\rm M_K = m / \nu = 1,8 / 0,03 = 60\) г/моль,

   \(\rm M_C = 1,38 / 0,03 = 46\) г/моль.

   Получим два уравнения, из которых найдём \(\rm m\) и \(\rm n\):

   \(\rm M_{C_nH_{2n+1}COOH} = 14n + 46 = 60,\ n = 1\) — уксусная кислота

   \(\rm M_{C_mH_{2m+1}OH} = 14m + 18 = 46,\ m = 2\) — этанол.

   Таким образом, искомый эфир — это этиловый эфир уксусной кислоты, этилацетат.

1. Пример 12.
   Определить формулу аминокислоты, если при действии на \(8,9\) г её избытком гидроксида натрия можно получить \(11,1\) г натриевой соли этой кислоты.

Решение примера 12.

1. Общая формула аминокислоты (если считать, что она не содержит никаких других функциональных групп, кроме одной аминогруппы и одной карбоксильной):

   \(\rm NH_2-CH(R)-COOH\).

   Можно было бы записать её разными способами, но для удобства написания уравнения реакции лучше выделять в формуле аминокислоты функциональные группы отдельно.

2. Можно составить уравнение реакции этой аминокислоты с гидроксидом натрия:

   \(\rm NH_2-CH(R)-COOH + NaOH \rightarrow NH_2-CH(R)-COONa + H_2O\)

   Количества вещества аминокислоты и её натриевой соли — равны. При этом мы не можем найти массу какого-либо из веществ в уравнении реакции. Поэтому в таких задачах надо выразить количества веществ аминокислоты и её соли через молярные массы и приравнять их:

   \(\rm M_{(AM.\ NH_2-CH(R)-COOH)} = 74 + M_R\)

   \(\rm M_{(c. NH_2-CH(R)-Na)} = 96 + M_R\)

   \(\rm \nu_{AM.} = 8,9 / (74 + M_R)\)

   \(\rm \nu_{C.} = 11,1 / (96 + M_R)\)

   \(\rm 8,9 / (74 + M_R) = 11,1 / (96 + M_R)\)

   \(\rm M_R=15\)

   Легко увидеть, что \(\rm R=CH_3\).

   Можно это сделать математически, если принять, что \(\bf R - C_nH_{2n+1}\).

   \(\rm 14n + 1 = 15, n = 1.\).

   Это аланин — аминопропановая кислота.

Однако на данном этапе решение задачи не заканчивается. В ней требуется установить и структурную формулу вещества. Вот пример подобного задания:
При сгорании 5,8 г органического вещества образуется 6,72 л углекислого газа и 5,4 г воды. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 2.

Установлено, что это вещество не взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра, но каталитически восстанавливается водородом с образованием вторичного спирта и способно окисляться подкисленным раствором перманганата калия до карбоновой кислоты и углекислого газа. На основании этих данных:

1) установите простейшую формулу исходного вещества,
2) составьте его структурную формулу,
3) приведите уравнение реакции его взаимодействия с водородом.

(источник: Типовые тестовые задания по химии, под редакцией Ю. Н. Медведева. 2015 г.)

В первой части задачи в результате вычислений мы находим молекулярную формулу соединения: C3H6O. Затем начинаем путём логических размышлений находить структурную формулу. Общая формула CnH2nO характерна для альдегидов и кетонов, так же возможно предположить спирт: пропен-2-ол-1 (напомним: соединение с гидроксильной группы у атома углерода, образующего двойную связь является неустойчивым). Во-первых, данное вещество не подвергается окислению аммиачным раствором оксида серебра, значит, это не альдегид. Во-вторых, данное вещество каталитически восстанавливается водородом с образованием вторичного спирта, а значит, это не спирт. Единственный оставшийся вариант – кетон, а именно – ацетон. Подтверждает это и возможность окисления соединения кислым перманганатом калия до углекислого газа и карбоновой кислоты. Написание уравнения реакции уже не должно вызвать затруднений.

Задачи для самостоятельного решения.

Часть 1. Определение формулы вещества по составу.

1–1. Плотность углеводорода при нормальных условиях равна \(1,964\) г/л. Массовая доля углерода в нем равна \(81,82\%\). Выведите молекулярную формулу этого углеводорода.

1–2. Массовая доля углерода в диамине равна \(48,65\%\), массовая доля азота равна \(37,84\%\). Выведите молекулярную формулу диамина.

1–3. Относительная плотность паров предельной двухосновной карбоновой кислоты по воздуху равна \(4,07\). Выведите молекулярную формулу карбоновой кислоты.

1–4. \(2\) л алкадиена при н.у. имеет массу, равную \(4,82\) г. Выведите молекулярную формулу алкадиена.

1–5. (ЕГЭ–2011) Установите формулу предельной одноосновной карбоновой кислоты, кальциевая соль которой содержит \(30,77\%\) кальция.

 

к оглавлению ▴

Часть 2. Определение формулы вещества по продуктам сгорания.

2–1. Относительная плотность паров органического соединения по сернистому газу равна \(2\). При сжигании \(19,2\) г этого вещества образуется \(52,8\) г углекислого газа (н.у.) и \(21,6\) г воды. Выведите молекулярную формулу органического соединения.

2–2. При сжигании органического вещества массой \(1,78\) г в избытке кислорода получили \(0,28\) г азота, \(1,344\) л (н.у.) \(\rm CO_2\) и \(1,26\) г воды. Определите молекулярную формулу вещества, зная, что в указанной навеске вещества содержится \(1,204 \cdot 10^22\)молекул.

2–3. Углекислый газ, полученный при сгорании \(3,4\) г углеводорода, пропустили через избыток раствора гидроксида кальция и получили \(25\) г осадка. Выведите простейшую формулу углеводорода.

2–4. При сгорании органического вещества, содержащего \(\rm C, H\) и хлор, выделилось \(6,72\) л (н.у.) углекислого газа, \(5,4\) г воды, \(3,65\) г хлороводорода. Установите молекулярную формулу сгоревшего вещества.

2–5. (ЕГЭ–2011) При сгорании амина выделилось \(0,448\) л (н.у.) углекислого газа, \(0,495\) г воды и \(0,056\) л азота. Определить молекулярную формулу этого амина.

 

к оглавлению ▴

Часть 3. Определение формулы вещества по химическим свойствам.

3–1. Определить формулу алкена, если известно, что он \(5,6\) г его при присоединении воды образуют \(7,4\) г спирта.

3–2. Для окисления \(2,9\) г предельного альдегида до кислоты потребовалось \(9,8\) г гидроксида меди (II). Определить формулу альдегида.

3–3. Одноосновная моноаминокислота массой \(3\) г с избытком бромоводорода образует \(6,24\) г соли. Определить формулу аминокислоты.

3–4. При взаимодействии предельного двухатомного спирта массой \(2,7\) г с избытком калия выделилось \(0,672\) л водорода. Определить формулу спирта.

3–5. (ЕГЭ–2011) При окислении предельного одноатомного спирта оксидом меди (II) получили \(9,73\) г альдегида, \(8,65\) г меди и воду. Определить молекулярную формулу этого спирта.

к оглавлению ▴

Дополнение по определению структурной формулы:

Д-1. Дана молекулярная формула: C2H6O. Искомое вещество газообразно при н. у., не реагирует с металлическим натрием и может быть получено дегидратацией спирта. Установите его структурную формулу.
Д-2. Дана молекулярная формула: C3H8O2. Искомое вещество реагирует с натрием, а при дегидратации под действием серной кислоты превращается в соединение, содержащее шестичленный цикл. Установите его структурную формулу.
Д-3. Дана молекулярная формула: C2H7NO. Искомое вещество представляет собой бесцветную, вязкую жидкость с запахом аммиака. Оно реагирует и с натрием, и с азотистой кислотой, причём в обоих случаях выделяется газ. Установите его структурную формулу.

к оглавлению ▴

Ответы и комментарии к задачам для самостоятельного решения.

1–1. \(\rm C_3H_8\)

1–2. \(\rm C_3H_6(NH_2)_2\)

1–3. \(\rm C_2H_4(COOH)_2\)

1–4. \(\rm C_4H_6\)

1–5. \(\rm (HCOO)_2Ca\) — формиат кальция, соль муравьиной кислоты

 

2–1. \(\rm C_8H_{16}O\)

2–2. \(\rm C_3H_7NO\)

2–3. \(\rm C_5H_8\) (массу водорода находим, вычитая из массы углеводорода массу углерода)

2–4. \(\rm C_3H_7Cl\) (не забудьте, что атомы водорода содержатся не только в воде, но и в \(\rm HCl\))

2–5. \(\rm C_4H_{11}N\)

 

3–1. \(\rm C_4H_8\)

3–2. \(\rm C_3H_6O\)

3–3. \(\rm C_2H_5NO_2\)

3–4. \(\rm C_4H_8(OH)_2\)

3–5. \(\rm C_4H_9OH\)

 

Д–1.

Д–2.

Д–3.