Весовой состав химических соединений может быть выражен в процентах или в химических отношениях элементов, образующих данное вещество. Зная весовой состав сложного вещества и атомные массы составляющих его элементов, легко установить так называемую простейшую формулу вещества, которая дает представление о соотношении между количествами отдельных атомов в молекуле. Практическая сторона вывода сводится к двум действиям:
1) деление весовых количеств, входящих в состав вещества элементов (в единицах веса, процентах или весовых частях) на атомные массы элементов;
2) замена отношения дробей (если таковые получаются) отношением целых чисел, отображающих числа атомов элементов в молекуле вещества.
Для того чтобы установить истинную формулу вещества, показывающую действительное число атомов в молекуле, необходимо, кроме процентного состава и атомных масс элементов, знать еще и молекулярную массу соединения. Для некоторых веществ простейшие и истинные формулы совпадают.
Пример 32. Найти простейшую формулу вещества, содержащего 52,4% калия и 47,6 % хлора. Атомная масса калия 39,1, а хлора 35,5.
Решение
Обозначим число атомов калия в молекуле вещества через х, а число атомов хлора через у. Так как один атом калия равен по массе 39,1, а атом хлора 35,5 углеродных единиц, то общая масса атомов калия, входящих в состав молекулы, будет равна 39,5´ х, а масса хлора 35,5´ у. Отношению этих чисел должно равняться отношение массовых количеств калия и хлора, т.е. 52,4:47,6. Приравняв оба отношения друг к другу, получим:
39,1 х: 35,5 у = 52,4: 47,6
или после преобразования:
Числа 1,3 и 1,3 выражают относительное число атомов в молекуле. Так как в молекуле может содержаться только целое число атомов, делим оба члена отношения на 1,3 (если относительные числа атомов в молекуле получаются разные, то нужно делить на наименьшее из них) и получим: х:у = 1: 1
Следовательно, в молекуле на один атом калия приходится один атом хлора, чему удовлетворяет целый ряд формул КС1, K2Cl2, K3Cl3 и т. д. Первая формула КС1 доказывается простейшей формулой.
Пример 33. Вывести простейшую формулу вещества, содержащего магний, азот и кислород в массовом отношении 6:7:24.
Решение
Обозначим числа атомов каждого элемента соответственно через х, у и г. Тогда массы элементов в молекуле будут выражаться через 24х, 14у и 16z и будут пропорциональны частям 6, 7, 24. Пишем тройную пропорцию:
24х: 14y: 16z = 6: 7: 24
Затем для освобождения от коэффициентов при х у и г делим почленно весовые части правой стороны на атомные массы левой и получаем:
х: у: z = 0,25: 0,50: 1,50 = 1: 2: 6
Затем пишем простейшую формулу MgN206; или Mg(NO3)2.
Иногда в задачах требуется найти не число атомов в молекулах, а числа молекул, составляющих вещество в сложных молекулярных соединениях, например, в кристаллогидратах. В таких случаях массовые количества этих веществ делятся на их молекулярные массы и затем находится простейшее отношение чисел молекул.
Пример 34. Вывести формулу кристаллогидрата соды, зная, что при прокаливании 14,3 г кристаллогидрата получается 5,3 г безводной соли.
Решение
Формула кристаллогидрата должна иметь вид: х Na2CO3 ´ у Н2O (кристаллизационная вода), х и у — неизвестные коэффициенты. Для их нахождения необходимо знать массовые количества безводной соли и кристаллизационной воды, а также их молекулярные массы.
Задача решается так:
1. Находят количество улетучившейся воды
14,3 — 5,3 = 9,0 г Н2О
2. Находят молекулярные массы безводного карбоната натрия и воды
Мол. масса Na2CО3 = 2´23 + 12 + 3´6 = 106
Мол. масса H2O = 2´1 + 16 = 18
3. Составляют пропорцию, выражающую весовое отношение безводной соли и кристаллизационной воды
106 х: 18у =5,3: 9,0
4. Делят почленно весовое количество правой части пропорции на молекулярные массы левой и заменяют отношение дробей отношением целых чисел
х: у = 0,05: 0,5 = 1: 10
Из полученного соотношения можно взять х = 1, у = 10 и написать искомую формулу кристаллогидрата
Nа2СОз ´ 10 H2О.
Пример 35. Вывести истинную формулу вещества, содержащего 93,75% С и 6,25% Н, если плотность пара этого вещества но воздуху 4,11.
Решение
Задачу можно решить двумя путями:
1) Обозначим числа атомов углерода и водорода в молекуле через х и у. Тогда их массовые количества в молекуле выразятся как 12х и 1у и будут пропорциональны их массовому процентному содержанию:
12х: у = 93,75: 6,25
Разделив, как в предыдущих примерах, массовые части правой стороны на атомные массы левой, мы получим:
х: у = 7,8125: 6,2500
Замена этого отношения дробей отношением целых чисел представляет известную арифметическую трудность, которую можно разрешить, разделив оба его члена на 6,2500, после чего получается:
х: у = 1,25: 1,00 = 125: 100 = 5: 4.
После этого можно написать простейшую формулу вещества С5Н4 и сопоставить ее с истинной молекулярной массой, которую можно найти по плотности пара по воздуху: молекулярная масса пара так относится к молекулярной массе воздуха, как плотность пара по воздуху относится к плотности воздуха, то есть М: 29 = 4,41: 1, откуда М = 29´4,41 = 128.
Молекулярная масса но простейшей формуле С5Н4 получается 5´12 + 4´1 = 64, то есть вдвое меньше истинного. Поэтому числа атомов в формуле нужно удвоить. Получится С10Н8 - формула углеводорода нафталина.
2) Можно избежать затруднения с заменой отношения дробей отношением целых чисел, если провести решение но несколько другому плану. Сначала следует найти истинную молекулярную массу, затем по процентному содержанию — весовые количества углерода и водорода, а затем, разделив их на атомные массы, найти числа атомов в молекуле.
1. Находят молекулярною массу
М = 29 ´ 4,41 = 128
2. Находят массу С, Н в молекуле
Масса С = 
Масса Н = 
128.
3. Находят числа атомов
Число атомов С 120: 12 = 10, число атомов Н 8: 1 = 8.
4. Записывают истинную формулу вещества C10Н8, соответствующую истинной молекулярной массе.
