http://www.ise.polsl.pl/strony/czasowe/powtorka_z_chemii/ustalanie%20wzorow%20czasteczkowych%20zwiazkow%20organicznych.doc

P.2 Ustalanie wzorów cząsteczkowych związków organicznych

Ustalania wzorów związków chemicznych sprowadza się do ustalenia stosunku molowego w jakim łączą się pierwiastki w cząsteczce. Taka forma podania wzoru nosi nazwę wzoru empirycznego, który łatwo przekształcić w rzeczywisty z chwilą, gdy znamy masę molową badanego związku. Tak więc proszę na początek utrwalić sobie istotę pojęć wzór empiryczny(wówczas gdy nie znamy masy molowe) i wzór rzeczywisty do ustalenia którego niezbędna jest znajomość masy molowej.

A/ Wzór związku chemicznego najprościej ustalić na podstawie znajomości stosunku masowego w jakim łączą się pierwiastki w danym związku. W zadaniach stosunki wagowe podaje się na kilka sposobów:

W kolejnym etapie następuje przekształcenie stosunku wagowego w stosunek molowy, który stanowi bezpośrednią podstawę ustalenia wzoru.

B/ Wzór można również ustalić na podstawie znajomości parametrów niektórych reakcji badanego związku np. reakcji spalania

Jeżeli chodzi o masę molową, to często podawana jest bezpośrednio, lecz gdy badanym związkiem jest gaz, podaje się czasami jedynie jego gęstość wyrażoną w g/dm³ w warunkach normalnych. W tej sytuacji korzystamy z faktu, że mol gazu w warunkach normalnych ma objętość 22,4 dm³. Oczywiście istnieją również inne sposoby pośredniego określenia stosunków wagowych lub masy molowej, sądzę jednak, że rozwiązanie przykładów ze zbioru zadań i zestawów testów maturalnych pozwoli te obliczenia zrozumieć i opanować w zadawalającym stopniu.

Przykłady zadań z testów maturalnych

Rozwiązania zadań z testów maturalnych

Zad.1

Ze względu na równość objętości molowych gazów, podane objętości można potraktować jako współczynniki równania reakcji, które można zapisać w formie ogólnej a następnie stopniowo uzgadniać dochodząc w efekcie do wzoru cząsteczkowego spalanego węglowodoru, którego wzór wyjściowy zapiszemy ogólnie jako

CH: 40 CH + 100 O₂= 80CO₂ + H₂O.

Tak zapisane współczynniki uprościmy dzieląc je przez 40, otrzymujemy wówczas:

CH +2,5O₂ = 2CO₂ + H₂O

Dwa mole powstałego CO₂ oznaczają, że w molu węglowodoru znajdują się dwa mole atomów węgla, następnie uzgadniamy ilość tlenu, którego po stronie produktów mamy 2,5 mola co znaczy, że powstał jeden mol wody a więc w cząsteczce węglowodoru znajdują się dwa atomy wodoru. Prawidłowy zapis równania spalania całkowitego tego węglowodoru ma postać:

C₂H₂ + 2,5O₂ = 2CO₂ + H₂O.

Spalanym węglowodorem był etyn znany również pod nazwą zwyczajową acetylen, rozpoczynający szereg homologiczny alkinów.

Zad.2

Jako, że nie mamy informacji o składzie jakościowym spalanego związku, policzymy z ilości podanych produktów spalania zawartość węgla i wodoru w spalanej próbce a następnie z porównania mas obliczymy ewentualną zawartość tlenu.

1 mol CO₂ czyli 22,4 dm³ zawiera 12 g węgla

3,36 dm³ zawiera x g węgla x = 1,8 g węgla

1 mol H₂O czyli 18 g zawiera 2 g wodoru

2,7 g zawiera x g wodoru x = 0,3 g wodoru

łączna masa węgla i wodoru 2,1g, dopełnienie do masy spalonej próbki stanowi tlen, którego jest (3,7g - 2,1g) = 1,6 g tlenu

Stosunek wagowy pierwiastków wynosi więc- m_C : m_H : m_O = 1,8:2,1:1,6 Następnie obliczamy stosunek molowy składników:

Wzór sumaryczny badanego związku C₂H₆O₂, uwzględniając charakterystyczne grupy połączeń organicznych można przyjąć, że związek ten jest kwasem karboksylowym o wzorze C₂H₅COOH- kwas propionowy. Jednak kwasy karboksylowe są izomerami funkcjonalnymi estrów kwasów karboksylowych. Mając na uwadze ilość atomów węgla izomerem jest mrówczan etylu: HCOOC₂H₅.

Zad.3

Skoro spalanym związkiem jest alkohol, więc składa się z węgla, wodoru i tlenu, którego ilość obliczymy z różnicy masy spalanej próbki i wyliczonych ilości węgla(z CO₂) i wodoru (zH₂O)

1 mol CO₂ w 44g znajduje się 12 g węgla

5,5 g znajduje się x g węgla x = 1,5 g węgla

1 mol H₂O 18 g znajdują się 2g wodoru

2,7 g znajduje się x g wodoru x = 0,3 g wodoru

masa tlenu 2,2 g próbki - 1,5 g węgla - 0,3 g wodoru = 0,4 g tlenu

Wzór sumaryczny badanego alkoholu C₅H₁₁OH

Zad.4

Z podanych informacji obliczymy stosunek wagowy pierwiastków w badanym związku:

Ilość węgla:

1 mol CO₂ czyli 44 g CO₂ zawierają 12 g węgla

26,4 g CO₂ zawiera x g węgla x = 7,2 g węgla

1 mol H₂O czyli 18 g H₂O zawiera 2 g wodoru

7,2 g H₂O zawiera x g wodoru x = 0,8 g wodoru

Obliczamy ilość tlenu m = 11,2 g związku - 7,2 g węgla - 0,8 g wodoru = 3,2 g węgla

Wzór sumaryczny tego połączenia C₃H₄O, dalsze informacje wskazują, że w cząsteczce tego związku znajduje się jedno podwójne wiązanie(1 mol bromu) oraz grupa aldehydowa (redukcja tlenku miedzi(II) - próba Trommera) - C₂H₃CHO: półstrukturalnie: H₂C=CH-CHO

Zad.5

Zadanie dotyczy wprawdzie substancji nieorganicznej jednak pokażę sposób jego liczenia ze względu na specyfikę, gdyż cząsteczkę buduje kilka różnych pierwiastków. Podano skład procentowy związku. Załóżmy więc, że mamy 100g substancji wówczas 1% odpowiada 1g, tak więc stosunek wagowy składników można przedstawić:

zgodnie z informacją jest to sól uwodniona, czyli cała ilość wodoru pochodzi z wody, będą to dwa mole wody. Pozostają cztery mole tlenu atomowego, tak więc wzór badanej soli to CaSO₄•2H₂O jest to dwuwodny siarczan(VI) wapnia znany pod nazwą zwyczajową gips.

Zad.6

Dwa kolejne homologi szeregu homologicznego różnią się o tzw. różnicę homologiczną, którą jest grupa metylenowa CH₂. Tak więc jeżeli masa pierwszego związku jest równa M to kolejnego będzie wynosiła (M +14), czyli będzie większa o masę tzw. różnicy homologicznej. Zgodnie z treścią zadania:
tak więc po przekształceniu 0,318 M = 14; M=44. Zgodnie z treścią zadania mamy do czynienia z alkanami, których wzór ogólny jest równy C_nH_2n+2. Podstawiając odpowiednie masy atomowe otrzymujemy kolejne równanie: 12n+2n+2=44, po dalszych obliczeniach 14n = 42 i dalej n = 3, tak pierwszy ze związków to propan a drugi, to kolejny w szeregu homologicznym alkanów, butan.

Zad.7

Wiedząc, że gęstość związku w warunkach normalnych wynosi 1,318 g/dm³ można obliczyć masę molową M = 22,4 dm³•1,339 g/dm³ = 30 g/mol, wiedząc z kolei że stosunek wagowy pierwiastków ma się m_C:m_H= 4:1, można policzyć ile razy ta masa jednostkowa (4+1) mieści się w masie molowej, czyli 30:5 = 6, tak więc m_C:m_H = 24 : 6, co odpowiada odpowiednio dwom atomom węgla i sześciu atomom wodoru. Tak więc badany związek to C₂H₆ - etan

Zad.8

W zadaniu podano objętości substratów, które posłużą do ułożenia równania reakcji i dalej wzoru węglowodoru, o którym wiadomo, że jest nienasycony.

Objętość węglowodoru - 10 cm³

Objętość tlenu - (70 cm³ - 10 cm³) = 60 cm³

Objętość CO₂, gdyż został pochłonięty przez roztwór wodorotlenku-(50cm³-10 cm³)= 40cm³. Teraz można przystąpić do zapisania równania reakcji spalania:

10CH + 60 O₂=40CO₂ + H₂O

Uzgodnienie powyższego równania doprowadzi je do postaci:

C₄H₈ + 6O₂ = 4CO₂ + 4H₂O

Spalonym węglowodorem był prawdopodobnie butyn lub cyklobutan

Zad.9

W zadaniu jako jednostkę masy zastosowano miligramy, jednak ze względów praktycznych można przejść na gramy. Następnie obliczmy ile razy taka odważka mieści się w jednym molu 106 : 2,12 = 50. Ze spalenia mola substancji otrzymanoby więc 50x7,04 =352g czyli 8 moli z czego wynika, że mol badanego związku zawiera 8 atomów węgla. Następnie policzmy ilość wodoru 50 x 1,80 = 90 g wody czyli 5 moli z czego wynika, że cząsteczka związku zawiera 10 atomów wodoru. Tak więc wzór węglowodoru C₈H₁₀. Dalsza informacja zawarta w zadaniu wskazuje, że badany związek to jeden z możliwych ksylenów czyli dimetylobenzenów C₆H₄(CH₃)₂ lub etylobenzen C₆H₅C₂H₅

Zad. 10

Ustalamy wzór empiryczny związku o znanym składzie procentowym co umożliwia ustalenie stosunku wagowego a następnie molowego pierwiastków tworzących cząsteczkę

Znając masy cząsteczkowe dwóch związków można ustalić ich wzory rzeczywiste dla pierwszego HCHO a dla drugiego CH₃COOH, są to więc kolejno aldehyd mrówkowy (metanal) i kwas octowy (etanowy)

Zad.11

Ilość węgla i wodoru w spalonej próbce

1 mol czyli 44 g CO₂ zawiera 12 g węgla

2,64 g CO₂ zawiera x g węgla x = 0,72 g węgla

1mol czyli 18 g H₂O zawiera 2 g wodoru

1,62 g H₂O zawiera x g wodoru x = 0,18 g wodoru

ilość tlenu m = 1,86 g - (0,72 +0,18) x = 0,96 g tlenu

wzór empiryczny (CH₃O)_n zgodnie z informacją zawartą w zadaniu wzór rzeczywisty jest dwukrotnością wzoru empirycznego czyli C₂H₆O₂, związkiem tym może więc być przykładowo glikol etylenowy C₂H₄(OH)₂

1