الصيغة الأولية والصيغة الجزيئية من البيانات

أبسط نسبة مقابل التركيب الفعلي

الصيغة الأولية بتدّي أصغر نسبة أعداد صحيحة بين الذرات في المركّب. أما الصيغة الجزيئية فبتدّي العدد الفعلي من كل نوع ذرة في الجزيء الواحد، وهي دايمًا مضاعَف صحيح للصيغة الأولية. فوق أكسيد الهيدروجين صيغته الجزيئية H₂O₂ وصيغته الأولية HO. والجلوكوز، C₆H₁₂O₆، صيغته الأولية CH₂O، وهي نفسها صيغة الفورمالدهيد وحمض الأسيتيك الأولية.

بيانات الكتلة لوحدها بتكشف الصيغة الأولية بس، لأن H₂O₂ وHO ليهم نفس النسب المئوية للتركيب. محتاجين قياس منفصل للكتلة المولية عشان نلاقي المضاعَف. أما المركبات الأيونية زي كلوريد الصوديوم، اللي بتكوّن شبكات ممتدة مش جزيئات منفصلة، فوحدة الصيغة بتتكتب عادةً كصيغة أولية بالاصطلاح. والاستثناءات هي اللي بتحافظ على أيون عديد الذرات سليم، زي فوق أكسيد الصوديوم، Na₂O₂، اللي فيه أيون البيروكسيد O₂²⁻.

النسبة المئوية للتركيب من صيغة معروفة

النسبة المئوية الكتلية للعنصر هي كتلة العنصر ده في مول واحد من المركّب مقسومة على الكتلة المولية، مضروبة في 100. الدليل ده بيستخدم الأوزان الذرية القياسية من IUPAC مقرّبة لمنزلتين عشريتين: H 1.01 وC 12.01 وN 14.01 وO 16.00 وS 32.06 وFe 55.85.

مثال محلول 1. كبريتات الأمونيوم، (NH₄)₂SO₄، بتتستخدم كسماد نيتروجيني. كام النسبة المئوية الكتلية للنيتروجين فيها؟ وحدة الصيغة الواحدة فيها 2 N و8 H و1 S و4 O، فالكتلة المولية = 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. النيتروجين: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. والعناصر التانية بتطلع 6.11% H و24.26% S و48.43% O، ومجموع القيم الأربعة 100.00%، وده فحص مفيد إن مفيش ذرات فاتتنا.

تحويل الكتل لنسبة مولات بأعداد صحيحة

الأرقام السفلية بتعدّ الذرات، والذرات بتتعدّ بالمول، فالطريقة دايمًا بتعدّي على المولات. مينفعش نقارن جرامات عناصر مختلفة مباشرة لأن ذراتها كتلها مختلفة.

خطوة تحويل العشري لكسر محتاجة تقدير. النسب التجريبية نادرًا ما تبقى مضبوطة، فالقيمة اللي في حدود حوالي 0.1 من عدد صحيح تتقرّب في الغالب، لكن القيمة القريبة من 1.5 أو 1.33 أو 1.67 أو 1.25 أو 1.75 معناها كسر. اضرب كل النسب في 2 أو 3 أو 4 حسب المناسب. مثلًا، عينة أكسيد حديد فيها 1.737 g Fe و0.747 g O بتدّي 0.03110 mol Fe و0.0467 mol O. نسبة O:Fe هي 1.50، فبالمضاعفة نوصل لـ Fe₂O₃.

• ابدأ من الكتل. لو معاك نسب مئوية، افترض عينة 100 g فكل نسبة مئوية تبقى جرامات.
• حوّل كل كتلة لمولات باستخدام الوزن الذري للعنصر ده.
• اقسم كل قيم المولات على أصغر قيمة فيهم.
• لو أي نسبة مش قريبة من عدد صحيح، اضرب كل النسب في أصغر عدد صحيح بيخليها كلها صحيحة.
• اكتب الأرقام السفلية بالترتيب المتعارف عليه (للمركبات العضوية: C الأول، وبعدين H، وبعدين الباقي بالترتيب الأبجدي).

مثال محلول: حمض كربوكسيلي من النسبة المئوية للتركيب

مثال محلول 2. تحليل حمض بلوري أبيض أعطى 40.68% C و5.13% H و54.19% O بالكتلة. قياس منفصل حدد كتلته المولية بـ 118 g/mol. اوجد الصيغتين الأولية والجزيئية.

افترض 100 g، فالعينة فيها 40.68 g C و5.13 g H و54.19 g O. حوّل لمولات: 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. اقسم على أصغر قيمة، 3.387: C 1.000 وH 1.500 وO 1.000.

نسبة الهيدروجين 1.500 هي نص، مش خطأ تقريب، فاضرب كل النسب في 2: C₂H₃O₂. كتلة صيغتها = 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. المضاعَف = 118 ÷ 59.05 = 2.00، فالصيغة الجزيئية C₄H₆O₄. دي صيغة حمض السكسينيك. لو قرّبنا 1.5 لـ 2 كنا هنوصل لـ CH₂O (30.03 g/mol)، و118 ÷ 30.03 = 3.93 مش عدد صحيح، وده علامة إن الصيغة الأولية غلط.

مثال محلول: تحليل الاحتراق لسائل عضوي

مثال محلول 3. عينة 0.3150 g من سائل فيه C وH وO بس بتتحرق تمامًا في أكسجين زايد. بتدّي 0.6293 g CO₂ و0.2577 g H₂O. بخار السائل كتلته المولية حوالي 88 g/mol. اوجد الصيغتين.

كل الكربون بينتهي في CO₂ وكل الهيدروجين في H₂O. كتلة C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. كتلة H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. الأكسجين مينفعش نتتبعه بنفس الطريقة، لأن جزء كبير من الأكسجين في النواتج جه من إمداد O₂، فنلاقيه بالفرق: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

المولات: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C؛ 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H؛ 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. القسمة على 0.0071488 بتدّي 2.000 : 4.001 : 1، فالصيغة الأولية C₂H₄O، وكتلة صيغتها 44.06 g/mol. المضاعَف = 88 ÷ 44.06 = 2.0، فنوصل لـ C₄H₈O₂. فيه كذا مركّب مختلف بيشتركوا في الصيغة الجزيئية دي، منهم أسيتات الإيثيل وحمض البيوتانويك، فتحديد المادة محتاج دليل على التركيب البنائي زي التحليل الطيفي.

فين حسابات الصيغة الأولية بتغلط

أغلب الأخطاء بتحصل في نقطتين: اختيار إيه اللي يتحوّل لمولات، وتحديد إزاي تتعامل مع نسبة مش عدد صحيح. افحص الاتنين قبل ما تكتب الصيغة النهائية.

بعد كده اختبر الإجابة على البيانات. احسب تاني النسبة المئوية للتركيب للصيغة اللي اقترحتها وقارنها بالقيم المقاسة؛ البيانات الكويسة بتتفق عادةً في حدود كام عُشر في المية. في المثال المحلول 2، C₄H₆O₄ بتدّي 40.68% C و5.13% H و54.19% O، وده مطابق للتحليل.

• تقريب نسبة 1.5 أو 1.33 لأقرب عدد صحيح بدل ما تضرب في مضاعِف.
• تقريب قيم المولات لرقم أو رقمين معنويين، وده ممكن يحوّل 1.50 الواضحة لحاجة غامضة.
• قسمة كتلة الأكسجين على 32.00 g/mol. استخدم الوزن الذري لـ O، 16.00، لأن الأرقام السفلية بتعدّ الذرات.
• نسبة الأكسجين في نواتج الاحتراق للعينة. لاقي أكسجين العينة بالفرق.
• تجاهل عنصر ناقص. لو النسب المئوية المذكورة مجموعها أقل من 100% بكتير، يبقى فيه عنصر تاني، غالبًا الأكسجين.
• قبول مضاعَف جزيئي مش صحيح. لو الكتلة المولية ÷ كتلة الصيغة الأولية مش قريبة من عدد صحيح، راجع الصيغة الأولية.