Емпирични и молекулни формули от данни

Най-просто отношение срещу действителен състав

Емпиричната формула дава най-малкото цяло отношение на атомите в съединението. Молекулната формула дава действителния брой на всеки вид атом в една молекула и винаги е цяло кратно на емпиричната формула. Водородният пероксид има молекулна формула H₂O₂ и емпирична формула HO. Глюкозата, C₆H₁₂O₆, има емпирична формула CH₂O, която споделя с формалдехида и оцетната киселина.

Само данните за маси могат да разкрият единствено емпиричната формула, защото H₂O₂ и HO имат еднакъв процентен състав. За да намерите кратното, е нужно отделно измерване на моларната маса. При йонни съединения като натриевия хлорид, които образуват протяжни решетки, а не отделни молекули, формулната единица по конвенция обикновено се записва като емпирична формула. Изключенията запазват многоатомния йон цял, както при натриевия пероксид, Na₂O₂, който съдържа пероксидния йон O₂²⁻.

Процентен състав от позната формула

Масовият процент на даден елемент е масата на този елемент в един мол от съединението, разделена на моларната маса и умножена по 100. В това ръководство се използват стандартните атомни тегла на IUPAC, закръглени до два десетични знака: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 и Fe 55.85.

Решен пример 1. Амониевият сулфат, (NH₄)₂SO₄, се използва като азотен тор. Какъв е масовият му процент азот? Една формулна единица съдържа 2 N, 8 H, 1 S и 4 O, така че моларната маса е 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Азот: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Останалите елементи излизат 6.11% H, 24.26% S и 48.43% O, а четирите стойности се сумират до 100.00% – полезна проверка, че няма пропуснати атоми.

Превръщане на маси в цяло отношение на моловете

Индексите броят атоми, а атомите се броят в молове, затова методът винаги минава през молове. Грамове на различни елементи не могат да се сравняват пряко, защото атомите им имат различни маси.

Стъпката от десетична стойност към дроб изисква преценка. Експерименталните отношения рядко са точни, така че стойност в рамките на около 0.1 от цяло число обикновено може да се закръгли, но стойност близо до 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 или 1.75 сигнализира дроб. Умножете всички отношения по 2, 3 или 4 според случая. Например проба железен оксид, съдържаща 1.737 g Fe и 0.747 g O, дава 0.03110 mol Fe и 0.0467 mol O. Отношението O:Fe е 1.50, така че удвояването дава Fe₂O₃.

• Започнете от масите. Ако имате проценти, приемете проба от 100 g, така че всеки процент да стане грамове.
• Преобразувайте всяка маса в молове с атомното тегло на съответния елемент.
• Разделете всички стойности в молове на най-малката от тях.
• Ако някое отношение не е близо до цяло число, умножете всички отношения по най-малкото цяло число, което ги прави цели.
• Запишете индексите в общоприетия ред (за органичните съединения първо C, после H, после останалите по азбучен ред).

Решен пример: карбоксилна киселина от процентен състав

Решен пример 2. Анализ на бяла кристална киселина дава 40.68% C, 5.13% H и 54.19% O по маса. Отделно измерване определя моларната ѝ маса на 118 g/mol. Намерете емпиричната и молекулната формула.

Приемете 100 g, така че пробата има 40.68 g C, 5.13 g H и 54.19 g O. Преобразувайте в молове: 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. Разделете на най-малката стойност, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Отношението на водорода 1.500 е половина, а не грешка от закръгляване, затова умножете всички отношения по 2: C₂H₃O₂. Формулната му маса е 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Кратното е 118 ÷ 59.05 = 2.00, така че молекулната формула е C₄H₆O₄. Това е формулата на янтарната киселина. Закръглянето на 1.5 нагоре до 2 би дало CH₂O (30.03 g/mol), а 118 ÷ 30.03 = 3.93 не е цяло число – знак, че емпиричната формула е грешна.

Решен пример: анализ на изгарянето на органична течност

Решен пример 3. Проба от 0.3150 g от течност, съдържаща само C, H и O, изгаря напълно в излишък от кислород. Получават се 0.6293 g CO₂ и 0.2577 g H₂O. Парите имат моларна маса около 88 g/mol. Намерете двете формули.

Целият въглерод попада в CO₂, а целият водород – във H₂O. Маса на C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Маса на H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Кислородът не може да се проследи по същия начин, защото голяма част от кислорода в продуктите идва от подадения O₂, затова го намерете по разлика: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Молове: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Разделянето на 0.0071488 дава 2.000 : 4.001 : 1, така че емпиричната формула е C₂H₄O с формулна маса 44.06 g/mol. Кратното е 88 ÷ 44.06 = 2.0, което дава C₄H₈O₂. Няколко различни съединения имат тази молекулна формула, сред които етилацетатът и маслената киселина, така че за идентифициране на веществото са нужни структурни доказателства, например от спектроскопия.

Къде се греши при изчисленията на емпирични формули

Повечето грешки стават на две места: при избора какво да се преобразува в молове и при решението как да се третира отношение, което не е цяло число. Проверете и двете, преди да запишете крайната формула.

После проверете отговора спрямо данните. Преизчислете процентния състав на предложената формула и го сравнете с измерените стойности; добрите данни обикновено съвпадат в рамките на няколко десети от процента. В решен пример 2 C₄H₆O₄ дава 40.68% C, 5.13% H и 54.19% O, което съвпада с анализа.

• Закръгляване на отношение 1.5 или 1.33 до най-близкото цяло число вместо умножаване на всички отношения.
• Закръгляване на стойностите в молове до една или две значещи цифри, което може да превърне ясно 1.50 в нещо двусмислено.
• Разделяне на масата на кислорода на 32.00 g/mol. Използвайте атомното тегло на O, 16.00, защото индексите броят атоми.
• Приписване на кислорода от продуктите на изгарянето на пробата. Кислородът в пробата се намира по разлика.
• Пренебрегване на липсващ елемент. Ако посочените проценти се сумират до много под 100%, присъства друг елемент, често кислород.
• Приемане на нецяло молекулно кратно. Ако моларната маса ÷ формулната маса на емпиричната формула не е близо до цяло число, проверете отново емпиричната формула.