Виведення формули за масовими частками елементів
~20 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Встановлювати найпростішу й молекулярну формулу речовини за масовими частками елементів і молярною масою — ключове вміння для задач НМТ з теми 4.1. Ти навчишся знаходити співвідношення атомів x : y : z у найменших цілих числах, застосовувати його до оксидів, вуглеводнів і кислот.
Щоб установити формулу речовини за масовими частками елементів, треба знайти співвідношення кількостей атомів цих елементів у сполуці. Для цього зручно скористатися таким прийомом: уяви, що маєш рівно 100 г речовини. Тоді маса кожного елемента в грамах чисельно дорівнює його масовій частці, вираженій у відсотках.
Якщо w(Fe) = 70 %, то у 100 г речовини міститься 70 г Феруму; якщо w(O) = 30 % — 30 г Оксигену. Далі обчислюють кількість речовини (у молях) кожного елемента:
де w(E) — масова частка елемента (у відсотках або частках одиниці), а A_r(E) — його відносна атомна маса (округлена до цілих, з періодичної системи).
Приклад 1: оксид Феруму
Відомо: w(Fe) = 70 %, w(O) = 30 %. Знайди найпростішу формулу оксиду.
Крок 1. Переходимо до 100 г речовини: m(Fe) = 70 г, m(O) = 30 г.
Крок 2. Обчислюємо кількості речовини: n(Fe) = 70 / 56 = 1,25 моль; n(O) = 30 / 16 = 1,875 моль.
Крок 3. Записуємо співвідношення n(Fe) : n(O) = 1,25 : 1,875. Ділимо обидва числа на менше (1,25): отримуємо 1 : 1,5. Оскільки 1,5 — не ціле, множимо на 2: 2 : 3. Отже, найпростіша формула — Fe₂O₃.
Приклад 2: оксид Сульфуру
Відомо: w(S) = 40 %, решта — Оксиген. Нехай маса зразка 100 г: m(S) = 40 г, m(O) = 60 г.
Обчислюємо: n(S) = 40 / 32 = 1,25 моль; n(O) = 60 / 16 = 3,75 моль. Співвідношення 1,25 : 3,75 = 1 : 3 — уже цілі числа. Найпростіша формула — SO₃.
Загальний алгоритм
Прийми масу зразка за 100 г — маса кожного елемента чисельно дорівнює його масовій частці у %.
Обчисли
n(E) = w(E) / A_r(E)для кожного елемента.Поділи всі отримані числа на найменше з них.
Якщо після ділення вийшли дробові числа (1,5; 1,33; 2,5 тощо), помнож усі числа на 2, 3 або 4 — до найменших цілих.
Запиши індекси елементів у формулі як ці числа.
ВАЖЛИВО: ніколи не округлюй 1,5 до 1, або 1,33 до 1. Такі числа свідчать, що справжнє співвідношення — 2 : 3 або 3 : 4 відповідно. Завжди множ до цілих!
Співвідношення атомів, яке ти знайшов у попередньому розділі, дає найпростішу (емпіричну) формулу. Вона показує, у якому найменшому цілочисловому відношенні перебувають атоми елементів у сполуці. Однак багато різних речовин можуть мати однакову найпростішу формулу.
Наприклад, молекули формальдегіду (CH₂O), оцтової кислоти (C₂H₄O₂) і глюкози (C₆H₁₂O₆) мають ту саму найпростішу формулу — CH₂O. Тому для встановлення істинної, або молекулярної, формули потрібне ще одне дане — молярна маса речовини.
Як перейти від найпростішої до молекулярної формули
Знайди молярну масу найпростішої формули. Потім обчисли множник k:
Молекулярна формула — це найпростіша формула, помножена на k. Значення k завжди ціле число.
Приклад
Найпростіша формула сполуки — CH₂ (M = 12 + 2·1 = 14 г/моль). Істинна молярна маса речовини дорівнює 70 г/моль. Обчислюємо: k = 70 / 14 = 5. Отже, молекулярна формула — C₅H₁₀.
Як знайти істинну молярну масу
Якщо в задачі не дано молярну масу напряму, її можна обчислити за густиною:
За відносною густиною за воднем:
M = D(H₂) · 2 г/мольЗа відносною густиною за повітрям:
M = D(пов.) · 29 г/мольЗа густиною за нормальних умов:
M = ρ(н. у.) · 22,4 л/моль
Усі ці формули випливають із закону Авогадро: за однакових умов однакові об'єми газів містять однакову кількість молекул.
Зведена таблиця
Величина | Формула | Пояснення |
|---|---|---|
M за D(H₂) | M = 2 · D(H₂) | молярна маса водню H₂ = 2 г/моль |
M за D(пов.) | M = 29 · D(пов.) | середня молярна маса повітря = 29 г/моль |
M за ρ (н. у.) | M = ρ · 22,4 | молярний об'єм газу за н. у. = 22,4 л/моль |
Пам'ятай: одна найпростіша формула може відповідати кільком різним речовинам. Саме молярна маса дозволяє розрізнити їх.
Для вуглеводнів, тобто сполук, що складаються лише з Карбону й Гідрогену, сума масових часток завжди дорівнює 100 %: w(C) + w(H) = 100 %. Це спрощує задачу, бо третій елемент шукати не потрібно. Алгоритм той самий, але спочатку варто обчислити молярну масу за густиною, а потім — кількість атомів кожного елемента в молекулі.
Приклад: вуглеводень із w(C) = 85,7 %
Дано: масова частка Карбону w(C) = 85,7 %, відносна густина за воднем D(H₂) = 28.
Крок 1. Знаходимо молярну масу: M = D(H₂) · 2 = 28 · 2 = 56 г/моль.
Крок 2. Масова частка Гідрогену: w(H) = 100 % − 85,7 % = 14,3 %.
Крок 3. Обчислюємо кількість атомів у молекулі через частку від молярної маси:
Отже, молекулярна формула вуглеводню — C₄H₈.
Сполуки з Оксигеном
Коли до складу речовини входить Оксиген, маємо три елементи, а отже, три співвідношення. Найчастіше масову частку Оксигену в задачі не наводять окремо — її знаходять як різницю:
Далі діють за звичайним алгоритмом: беруть 100 г речовини, обчислюють n(E) для кожного елемента, знаходять співвідношення та зводять до цілих чисел.
Приклад: кислота з Оксигеном
Нехай w(C) = 40,0 %, w(H) = 6,7 %, решта — Оксиген. Беремо 100 г: m(C) = 40,0 г, m(H) = 6,7 г, m(O) = 100 − 40,0 − 6,7 = 53,3 г.
Обчислюємо: n(C) = 40,0 / 12 ≈ 3,33; n(H) = 6,7 / 1 = 6,7; n(O) = 53,3 / 16 ≈ 3,33.
Співвідношення 3,33 : 6,7 : 3,33 ділимо на найменше (3,33): 1 : 2 : 1. Найпростіша формула — CH₂O. Якщо відома молярна маса, можна знайти молекулярну формулу (наприклад, для M = 60 г/моль: k = 60 / 30 = 2, формула C₂H₄O₂ — оцтова кислота).
Перевірка результату
Кожну знайдену формулу варто перевірити двома способами:
Обчислити за формулою молярну масу — вона має збігатися з даною в умові (або знайденою за густиною).
Сума масових часток усіх елементів у формулі має дорівнювати 100 %.
Класи сполук у прикладах наведено довідково. Властивості речовин, їхню будову та хімічні реакції вивчають у відповідних курсах. Наше завдання — лише правильно встановити формулу.
Розгляньмо чотири типові задачі на виведення формул, які можуть трапитися на НМТ. Кожна потребує короткої відповіді — числа.
Приклад 1. Визначення атомів Карбону у вуглеводні
Умова: Масова частка Карбону у вуглеводні становить 85,7 %, відносна густина пари речовини за воднем дорівнює 28. Скільки атомів Карбону містить молекула?
Розв'язання:
Знаходимо молярну масу: M = D(H₂) · 2 = 28 · 2 = 56 г/моль.
w(H) = 100 % − 85,7 % = 14,3 %.
Обчислюємо кількість атомів Карбону в одній молекулі:
Обчислюємо кількість атомів Гідрогену для перевірки:
Формула C₄H₈. Такий склад мають бутени (бут-1-ен, бут-2-ен, 2-метилпропен) і циклоалкани (циклобутан, метилциклопропан).
Відповідь: 4
Приклад 2. Оксид Феруму
Умова: Масова частка Феруму в оксиді становить 70 %. Скільки атомів Феруму в найпростішій формулі цього оксиду?
Розв'язання:
Беремо 100 г оксиду: m(Fe) = 70 г, m(O) = 30 г.
n(Fe) = 70 / 56 = 1,25 моль; n(O) = 30 / 16 = 1,875 моль.
Співвідношення 1,25 : 1,875 ділимо на 1,25 → 1 : 1,5 → множимо на 2 → 2 : 3.
Найпростіша формула — Fe₂O₃. Атомів Феруму — 2.
Відповідь: 2
Приклад 3. Перехід від найпростішої формули до молекулярної
Умова: Найпростіша формула речовини CH₂, а її молярна маса — 70 г/моль. Скільки атомів Гідрогену в молекулі?
Розв'язання:
M(CH₂) = 12 + 2·1 = 14 г/моль.
k = 70 / 14 = 5.
Молекулярна формула: (CH₂)₅ = C₅H₁₀. Атомів Гідрогену — 10.
Відповідь: 10
Приклад 4. Оксид Сульфуру
Умова: Масова частка Сульфуру в оксиді становить 40 %. Скільки атомів Оксигену в формулі?
Розв'язання:
На 100 г оксиду: m(S) = 40 г, m(O) = 60 г.
n(S) = 40 / 32 = 1,25 моль; n(O) = 60 / 16 = 3,75 моль.
Співвідношення 1,25 : 3,75 = 1 : 3. Формула — SO₃. Атомів Оксигену — 3.
Відповідь: 3
Під час розв'язування задач на виведення формул учні найчастіше припускаються таких помилок:
Округлюють співвідношення зарано. Наприклад, отримавши 1 : 1,5, записують формулу як AB, хоч насправді має бути A₂B₃. Запам'ятай: 1 : 1,5 — це 2 : 3; 1 : 1,33 — це 3 : 4; 1 : 2,5 — це 2 : 5. Множ до цілих чисел, не округлюй!
Ділять масові частки на Mr сполуки замість Ar елемента. Пам'ятай: формула n(E) = w(E) / A_r(E). Відносна молекулярна маса Mr потрібна лише для перевірки або для знаходження множника k.
Плутають найпростішу й молекулярну формули. Найпростіша (емпірична) формула показує співвідношення атомів у найменших цілих числах. Молекулярна (істинна) формула — це фактичний склад молекули. Вони можуть збігатися (H₂O) або відрізнятися в k разів (CH₂ та C₅H₁₀).
Забувають, що сума часток дорівнює 100 %, і не знаходять Оксиген як різницю. Якщо в задачі дано масові частки двох елементів, а третій явно не згаданий (але входить до складу, як-от Оксиген в оксидах чи кислотах), його частку обчислюють відніманням: 100 % — w(A) — w(B).
Не перевіряють знайдену формулу за молярною масою. Навіть якщо співвідношення атомів збігається, варто обчислити молярну масу за отриманою формулою та порівняти з даною в умові. Якщо числа не збігаються — у розв'язку є помилка.
Завдання на виведення формули речовини за масовими частками елементів належать до теми 4.1 програми НМТ з хімії «Розв'язування задач за хімічними формулами і на виведення формули сполуки». У демонстраційному варіанті 2026 року із цієї теми представлено завдання 21.1 — це структуроване завдання, одна частина якого оцінюється в 1 бал.
Усі необхідні значення відносних атомних мас (Ar) містяться в періодичній системі хімічних елементів, яка є в довідкових матеріалах НМТ. Формули для розрахунків у довідці відсутні — їх треба знати. Відносні атомні маси всіх елементів округлюють до одиниць (наприклад, Ar(Fe) = 56, Ar(S) = 32), якщо в умові не зазначено інше.
Неструктуровані завдання (22–24 у демоваріанті) оцінюються за принципом «0 або 2 бали»: якщо відповідь правильна — 2 бали, якщо ні — 0 балів. Часткових балів за проміжні кроки не дають.
Стратегія розв'язування
Перейди до 100 г речовини — маса кожного елемента чисельно дорівнює його масовій частці у %.
Запиши в таблицю: елемент, його масу в грамах, Ar, кількість молів n = m / Ar.
Знайди співвідношення n і зведи до найменших цілих чисел (множ на 2, 3 за потреби).
Запиши найпростішу формулу; якщо дано молярну масу — знайди множник k і молекулярну формулу.
Найнадійніший спосіб уникнути помилки — вести обчислення в таблиці. Для двоелементної сполуки достатньо двох рядків: «елемент — маса (г) — Ar — n (моль)». Дробові числа в стовпчику n відразу підкажуть, що співвідношення треба множити.
Чому для розрахунків беруть саме 100 г речовини?
Тому що масова частка елемента у відсотках чисельно дорівнює масі цього елемента в 100 г сполуки. Наприклад, якщо w(Fe) = 70 %, то в 100 г оксиду міститься рівно 70 г Феруму. Це дозволяє уникнути додаткових множень і ділень — маса в грамах відома одразу. Якщо взяти іншу масу, наприклад 50 г, довелося б обчислювати m(Fe) = 0,70 · 50 = 35 г, що дасть те саме співвідношення, але потребує зайвого кроку. 100 г — найзручніше число.
Що робити, якщо співвідношення вийшло дробовим?
Дробове співвідношення означає, що ти ще не дійшов до найменших цілих чисел. Наприклад, 1 : 1,5 — це насправді 2 : 3. Щоб отримати цілі числа, помнож усі числа співвідношення на найменший спільний множник: на 2, якщо бачиш 0,5; на 3, якщо бачиш 0,33 або 0,67; на 4, якщо бачиш 0,25; на 5, якщо бачиш 0,2. Не округлюй 1,5 до 1 або 1,33 до 1 — це груба помилка.
Чим найпростіша формула відрізняється від молекулярної?
Найпростіша (емпірична) формула показує співвідношення атомів елементів у найменших цілих числах. Молекулярна (істинна) формула показує реальну кількість атомів кожного елемента в молекулі. Найпростіша формула може збігатися з молекулярною (H₂O, CO₂, NH₃) або бути її спрощеним варіантом. Наприклад, найпростіша формула CH₂ відповідає багатьом вуглеводням: C₂H₄ (етен), C₃H₆ (пропен), C₄H₈ (бутен) тощо. Щоб дізнатися справжню формулу, потрібна молярна маса.
Як швидко знайти Оксиген, якщо його частка не дана?
Якщо в умові задачі згадано оксид, кислоту чи іншу сполуку, що містить Оксиген, а його масову частку не наведено, обчисли її як різницю: w(O) = 100 % − w(A) − w(B) − … . Наприклад, для оксиду Сульфуру з w(S) = 40 %: w(O) = 100 % − 40 % = 60 %. Для кислоти з w(C) = 40,0 % і w(H) = 6,7 %: w(O) = 100 % − 40,0 % − 6,7 % = 53,3 %. Це працює завжди, бо сума масових часток усіх елементів у сполуці дорівнює 100 %.
Для розрахунків завжди беруть 100 г речовини — маса елемента в грамах чисельно дорівнює його масовій частці у відсотках.
Кількість речовини елемента:
n(E) = w(E) / A_r(E). Співвідношення n дає найпростішу формулу.Дробові числа в співвідношенні (1,5; 1,33; 2,5) множать на 2, 3 або 4 до найменших цілих — не округлюють!
Найпростіша (емпірична) формула показує співвідношення атомів; молекулярна (істинна) — реальний склад, який знаходять через молярну масу:
k = M(істинна) / M(найпростіша).Молярну масу обчислюють за густиною:
M = D(H₂) · 2,M = D(пов.) · 29,M = ρ(н. у.) · 22,4.Завжди перевіряй знайдену формулу: молярна маса має збігатися з даною, а сума масових часток — дорівнювати 100 %.
Для оксидів та кислот Оксиген часто знаходять як різницю:
w(O) = 100 % − w(A) − w(B).