منطق الانتقال من الكتل النسبة إلى الصيغة
تُحل مسألة امتحان الكيمياء (ЕГЭ) رقم 33 في النموذج الذي يتضمن النسب المئوية الكتلية للعناصر وفقاً لنفس منطق مسألة نواتج الاحتراق: الهدف هو الحصول على الصيغة الأولية للمادة العضوية ثم، باستخدام شروط المسألة، تحديد الصيغة الجزيئية والبنية.
التقنية الأساسية هي مساواة 100% بـ 100 غرام من المادة. إذا ذُكر في الشروط، على سبيل المثال، أن المادة تحتوي على 11.97% نيتروجين، 51.28% كربون، 27.35% أكسجين و9.4% هيدروجين، يكفي أن نكتب: «ليكن كتلة المادة 100 غ». حينها تحول الكتل النسبة المئوية تلقائياً إلى كتل للعناصر بالجرام: 11.97 غ من النيتروجين، 51.28 غ من الكربون وهكذا.
خوارزمية حساب الصيغة الأولية
- كتابة: «ليكن كتلة المادة تساوي 100 غ».
- تحويل النسب المئوية إلى جرامات لكل عنصر.
- قسمة كتلة كل عنصر على كتلته المولية للحصول على كمية المادة (مول).
- إيجاد القيمة الأصغر بين الكميات الناتجة وقسمة جميع القيم عليها للحصول على النسبة المولية للذرات.
- عند الضرورة، ضرب النسبة بعدد صحيح للحصول على معاملات عددية صحيحة.
- كتابة الصيغة الأولية.
مثال: تحتوي المادة على 72% من C، 21.33% من O، 6.67% من H. في 100 غ — 72 غ من الكربون (72/12 = 6 مول)، 21.33 غ من الأكسجين (21.33/16 ≈ 1.33 مول)، 6.67 غ من الهيدروجين (6.67/1 = 6.67 مول). القسمة على 1.33 تعطي النسبة C : H : O ≈ 4.5 : 5 : 1، والتي تؤدي بعد المضاعفة إلى معاملات صحيحة.
قد يتضمن تكوين ملح الحمض الكربوكسيلي فلزاً: إذا كانت الشروط تشير إلى نسب الهيدروجين، الكربون، الأكسجين، وعلى سبيل المثال، الكالسيوم، فيُدخل الكالسيوم أيضاً في حساب كميات المادة (m/40 لـ Ca).
الميزة مقارنة بمسألة نواتج الاحتراق
الحساب بناءً على الكتل النسبة أسهل من الحساب بنواتج الاحتراق: خطوات وسيطة أقل ومواضع أقل لارتكاب الأخطاء. غالباً ما تظهر في نواتج الاحتراق صعوبات في التحقق من كتلة الأكسجين وإعادة الحساب عبر CO₂ وH₂O. هنا يتم الحصول على كتل العناصر مباشرة من الشروط، ويكون خطر الخطأ الحسابي في أدنى حدوده.
تحليل الشروط: تلميحات حول فئة المركب
يعطي الحساب الصيغة المجملة فقط؛ وتُحدد بنية المادة وفئتها من خلال تحليل الجزء النصي من الشروط. التلميحات النموذجية:
- التفاعل مع هيدروксид ثنائي أمين الفضة (محلول أكسيد الفضة النشדري) هو علامة على الألكاين الطرفي: حيث تكون الرابطة الثلاثية واقعة حتماً في طرف السلسلة وليس في منتصفها.
- نزع الماء من كحول ثالثي يعطي ألكين، حيث يحتوي الهيكل الكربوني على أربع ذرات كربون على الأقل وتفرع عند الذرة الثالثة السابقة.
- الكلورة الجذرية للهيدروكربون السائل مع تكوين مشتق أحادي الكلور وحيد تشير إلى جزيء عالي التناظر (مثل النيوبنتان)؛ الحالة السائلة تعني هيدروكربونات بدءاً من البنتانات.
تلميحات حول نواتج الأكسدة بواسطة KMnO₄
الأكسدة بمحلول محامض من برمنغنات البوتاسيوم هي مصدر قوي للمعلومات حول البنية.
- تكوين حض كربوكسيلي أحادي القاعدة وانبعاث CO₂ ممكن في حالات: الألكينات ذات المجموعة الطرفية =CH₂ أو =CHR، الألكينات الطرفية، وكذلك متضامنات البنزين ذات السلسلة الجانبية (على سبيل المثال، إيثيل بنزين يؤكسد إلى حمض البنزويك مع انبعاث CO₂؛ تبقى رابطة C–C المجاورة للحلقة العطرية وتنفصل ذرة الكربون الطرفية).
- تميل الألكاديينات عادة إما إلى الأكسدة الكاملة لتكوين CO₂ (بيوتاديين-1,3 — حمض الأكساليك غير مستقر ويتفكك إلى CO₂)، أو حمض ثنائي القاعدة (يعطي الأيزوبريرين حمضاً ثنائياً القاعدة مستبدلاً بالميثيل). لذلك، فإن تكوين حمض أحادي القاعدة ليس نموذجياً للديينات.
- إن تكوين حمض ثنائي القواعد يحتوي على مجموعات كاربوكسيل في موضعين متجاورين دون انبعاث CO₂ يعد دلالة قاطعة عملياً على أو-كسيلين (1,2-ثيميثيل بنزين)، الذي يتكسد ليعطي حمض الأو-فثاليك. إن الحفاظ على جميع ذرات الكربون دون انتزاع CO₂ يعد أمراً نموذجياً لمتماثلات البنزين التي تكون فيها كل سلسلة جانبية مجموعة ميثيل.
- الوضع المجاور، الميتا أو البارا للمجموعات الوظيفية يلمحเกเกือบ إلى حلقة البنزين.
الجمع بين الحسابات وتحليل الشروط
تبدو المسألة 33 وكأنها رياضية بحتة فقط. في الواقع، إنها تفاعل تكافلي بين الكيمياء العضوية والرياضيات: الحساب يعطي الصيغة المجملة، بينما يضيّق نص الشروط نطاق التراكيب المحتملة وصولاً إلى متصاغ معين. يوصى بالعمل على كلا الجزأين في وقت واحد: الاستنتاجات الأولية من الشروط (الفئة، وجود روابط مضاعفة، حلقة عطرية، فلز) يتم تأكيدها بالنتائج الرقمية، ويساعد الحساب في الاختيار بين عدة خيارات هيكلية.
النقاط الرئيسية
- مساواة 100% بـ 100 غرام من المادة هو تقنية قياسية للانتقال من الكتل النسبة إلى كتل العناصر.
- يتم الحصول على الصيغة الأولية بقسمة كتل العناصر على كتلها المولية والمعايرة بالنسبة للكمية الأصغر.
- قد يتضمن تكوين ملح الحمض الكربوكسيلي فلزاً - وتُدرج كتلته أيضاً في الحساب.
- التفاعل مع المحلول النشادري لأكسيد الفضة يشير إلى ألكين طرفي.
- نزع الماء من كحول ثالثي يعطي ألكيناً متفرعاً مع 4 ذرات كربون على الأقل.
- تكوين حمض أحادي القاعدة وCO₂ أثناء أكسدة KMnO₄ مميز للألكينات، والألكينات الطرفية، ومتضامنات البنزين.
- حمض ثنائي القاعدة مع مجموعات COOH متجاورة دون انبعاث CO₂ هو علامة على الأو-كسيلين.
- يجب استخدام الحسابات وتحليل الشروط معاً — فهذا يزيد من موثوقية الإجابة.