Empiriese en molekulêre formules uit data

Eenvoudigste verhouding teenoor werklike samestelling

'n Empiriese formule gee die kleinste heelgetalverhouding van atome in 'n verbinding. 'n Molekulêre formule gee die werklike getal van elke soort atoom in een molekuul, en dit is altyd 'n heelgetalveelvoud van die empiriese formule. Waterstofperoksied het die molekulêre formule H₂O₂ en die empiriese formule HO. Glukose, C₆H₁₂O₆, het die empiriese formule CH₂O, wat dit met formaldehied en asynsuur deel.

Massadata alleen kan net die empiriese formule openbaar, omdat H₂O₂ en HO identiese persentasiesamestellings het. 'n Afsonderlike meting van molêre massa is nodig om die veelvoud te vind. Vir ioniese verbindings soos natriumchloried, wat uitgebreide roosters eerder as diskrete molekule vorm, word die formule-eenheid gewoonlik volgens konvensie as 'n empiriese formule geskryf. Die uitsonderings hou 'n poliatomiese ioon ongeskonde, soos in natriumperoksied, Na₂O₂, wat die peroksiedioon O₂²⁻ bevat.

Persentasiesamestelling uit 'n bekende formule

Massapersentasie van 'n element is die massa van daardie element in een mol van die verbinding gedeel deur die molêre massa, maal 100. Hierdie gids gebruik IUPAC-standaardatoomgewigte afgerond tot twee desimale plekke: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 en Fe 55.85.

Uitgewerkte voorbeeld 1. Ammoniumsulfaat, (NH₄)₂SO₄, word as stikstofkunsmis gebruik. Wat is sy massapersentasie stikstof? Een formule-eenheid bevat 2 N, 8 H, 1 S en 4 O, dus is die molêre massa 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Stikstof: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Die ander elemente werk uit op 6.11% H, 24.26% S en 48.43% O, en die vier waardes tel op tot 100.00%, 'n nuttige kontrole dat geen atome gemis is nie.

Massas omskakel in 'n heelgetal-molverhouding

Onderskrifte tel atome, en atome word in mol getel, dus gaan die metode altyd deur mol. Gram van verskillende elemente kan nie direk vergelyk word nie omdat hul atome verskillende massas het.

Die stap van desimaal na breuk verg oordeel. Eksperimentele verhoudings is selde presies, dus kan 'n waarde binne ongeveer 0.1 van 'n heelgetal gewoonlik afgerond word, maar 'n waarde naby 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 of 1.75 dui op 'n breuk. Vermenigvuldig elke verhouding met 2, 3 of 4 na gelang van wat toepaslik is. Byvoorbeeld, 'n ysteroksiedmonster wat 1.737 g Fe en 0.747 g O bevat, gee 0.03110 mol Fe en 0.0467 mol O. Die verhouding O:Fe is 1.50, dus gee verdubbeling Fe₂O₃.

• Begin by massas. As jy persentasies het, neem 'n monster van 100 g aan sodat elke persentasie gram word.
• Skakel elke massa om na mol met daardie element se atoomgewig.
• Deel elke molwaarde deur die kleinste een.
• As enige verhouding nie naby 'n heelgetal is nie, vermenigvuldig alle verhoudings met die kleinste heelgetal wat hulle heel maak.
• Skryf die onderskrifte in die konvensionele volgorde (vir organiese verbindings, C eerste, dan H, dan die res alfabeties).

Uitgewerkte voorbeeld: 'n karboksielsuur uit persentasiesamestelling

Uitgewerkte voorbeeld 2. Ontleding van 'n wit kristallyne suur gee 40.68% C, 5.13% H en 54.19% O volgens massa. 'n Afsonderlike meting plaas sy molêre massa op 118 g/mol. Vind die empiriese en molekulêre formules.

Neem 100 g aan, dus het die monster 40.68 g C, 5.13 g H en 54.19 g O. Skakel om na mol: 40.68 g ÷ 12.01 g/mol = 3.387 mol C; 5.13 g ÷ 1.01 g/mol = 5.079 mol H; 54.19 g ÷ 16.00 g/mol = 3.387 mol O. Deel deur die kleinste waarde, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Die waterstofverhouding van 1.500 is 'n half, nie 'n afrondingsfout nie, dus vermenigvuldig elke verhouding met 2: C₂H₃O₂. Sy formulemassa is 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Die veelvoud is 118 ÷ 59.05 = 2.00, dus is die molekulêre formule C₄H₆O₄. Dit is die formule van bernsteensuur. Om 1.5 op te rond na 2 sou CH₂O (30.03 g/mol) gegee het, en 118 ÷ 30.03 = 3.93 is nie 'n heelgetal nie, 'n teken dat die empiriese formule verkeerd is.

Uitgewerkte voorbeeld: verbrandingsontleding van 'n organiese vloeistof

Uitgewerkte voorbeeld 3. 'n Monster van 0.3150 g van 'n vloeistof wat slegs C, H en O bevat, word volledig in oormaat suurstof verbrand. Dit lewer 0.6293 g CO₂ en 0.2577 g H₂O. Die damp het 'n molêre massa van ongeveer 88 g/mol. Vind albei formules.

Al die koolstof beland in CO₂ en al die waterstof in H₂O. Massa van C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Massa van H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Suurstof kan nie op dieselfde manier nagespoor word nie, omdat baie van die suurstof in die produkte van die O₂-toevoer af gekom het, dus vind dit deur verskil: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Mol: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Deling deur 0.0071488 gee 2.000 : 4.001 : 1, dus is die empiriese formule C₂H₄O, met 'n formulemassa van 44.06 g/mol. Die veelvoud is 88 ÷ 44.06 = 2.0, wat C₄H₈O₂ gee. Verskeie verskillende verbindings deel hierdie molekulêre formule, insluitend etielasetaat en butaansuur, dus sal die identifisering van die stof strukturele bewyse soos spektroskopie vereis.

Waar empiriese-formuleberekeninge skeefloop

Die meeste foute gebeur by twee punte: om te kies wat in mol omgeskakel word, en om te besluit hoe om 'n verhouding te hanteer wat nie 'n heelgetal is nie. Kontroleer albei voordat jy die finale formule skryf.

Toets dan die antwoord teen die data. Herbereken die persentasiesamestelling van die formule wat jy voorstel en vergelyk dit met die gemete waardes; goeie data stem gewoonlik binne 'n paar tiendes van 'n persent ooreen. In uitgewerkte voorbeeld 2 gee C₄H₆O₄ 40.68% C, 5.13% H en 54.19% O, wat met die ontleding ooreenstem.

• 'n Verhouding van 1.5 of 1.33 tot die naaste heelgetal afrond in plaas van deurentyd te vermenigvuldig.
• Die molwaardes tot een of twee beduidende syfers afrond, wat 'n duidelike 1.50 dubbelsinnig kan maak.
• 'n Massa suurstof deur 32.00 g/mol deel. Gebruik die atoomgewig van O, 16.00, omdat onderskrifte atome tel.
• Suurstof in verbrandingsprodukte aan die monster toeken. Vind die monster se suurstof deur verskil.
• 'n Ontbrekende element ignoreer. As die vermelde persentasies op baie minder as 100% optel, is 'n ander element, dikwels suurstof, teenwoordig.
• 'n Nie-heelgetal molekulêre veelvoud aanvaar. As molêre massa ÷ empiriese formulemassa nie naby 'n heelgetal is nie, kontroleer die empiriese formule weer.