Empirijske i molekulske formule iz podataka

Najjednostavniji omjer naspram stvarnog sastava

Empirijska formula daje najmanji cjelobrojni omjer atoma u spoju. Molekulska formula daje stvarni broj svake vrste atoma u jednoj molekuli i uvijek je cjelobrojni višekratnik empirijske formule. Vodikov peroksid ima molekulsku formulu H₂O₂ i empirijsku formulu HO. Glukoza, C₆H₁₂O₆, ima empirijsku formulu CH₂O, koju dijeli s formaldehidom i octenom kiselinom.

Samo podaci o masi mogu otkriti samo empirijsku formulu, jer H₂O₂ i HO imaju identične procentne sastave. Za pronalaženje višekratnika potrebno je zasebno mjerenje molarne mase. Za ionske spojeve poput natrij-hlorida, koji grade prostrane rešetke, a ne zasebne molekule, formulska jedinka se po konvenciji obično piše kao empirijska formula. Izuzeci zadržavaju poliatomski ion netaknutim, kao u natrij-peroksidu, Na₂O₂, koji sadrži peroksidni ion O₂²⁻.

Procentni sastav iz poznate formule

Maseni procenat elementa je masa tog elementa u jednom molu spoja podijeljena molarnom masom, pomnožena sa 100. Ovaj vodič koristi IUPAC standardne atomske mase zaokružene na dva decimalna mjesta: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 i Fe 55.85.

Riješeni primjer 1. Amonij-sulfat, (NH₄)₂SO₄, koristi se kao dušično gnojivo. Koliki je njegov maseni procenat dušika? Jedna formulska jedinka sadrži 2 N, 8 H, 1 S i 4 O, pa je molarna masa 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Dušik: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Ostali elementi iznose 6.11% H, 24.26% S i 48.43% O, a te četiri vrijednosti zbrajaju se u 100.00%, što je korisna provjera da nijedan atom nije propušten.

Pretvaranje masa u cjelobrojni omjer molova

Indeksi broje atome, a atomi se broje u molovima, pa metoda uvijek prolazi kroz molove. Grami različitih elemenata ne mogu se direktno uspoređivati jer njihovi atomi imaju različite mase.

Korak od decimale do razlomka traži procjenu. Eksperimentalni omjeri rijetko su tačni, pa se vrijednost unutar otprilike 0.1 od cijelog broja obično može zaokružiti, ali vrijednost blizu 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 ili 1.75 ukazuje na razlomak. Pomnožite svaki omjer sa 2, 3 ili 4, već prema potrebi. Na primjer, uzorak željezovog oksida koji sadrži 1.737 g Fe i 0.747 g O daje 0.03110 mol Fe i 0.0467 mol O. Omjer O:Fe je 1.50, pa udvostručenje daje Fe₂O₃.

• Krenite od masa. Ako imate postotke, pretpostavite uzorak od 100 g da svaki postotak postane grami.
• Pretvorite svaku masu u molove pomoću atomske mase tog elementa.
• Podijelite svaku vrijednost u molovima najmanjom od njih.
• Ako neki omjer nije blizu cijelog broja, pomnožite sve omjere najmanjim cijelim brojem koji ih čini cjelobrojnim.
• Napišite indekse uobičajenim redoslijedom (za organske spojeve prvo C, zatim H, pa ostali po abecedi).

Riješeni primjer: karboksilna kiselina iz procentnog sastava

Riješeni primjer 2. Analiza bijele kristalne kiseline daje 40.68% C, 5.13% H i 54.19% O po masi. Zasebno mjerenje određuje njenu molarnu masu na 118 g/mol. Pronađite empirijsku i molekulsku formulu.

Pretpostavite 100 g, pa uzorak ima 40.68 g C, 5.13 g H i 54.19 g O. Pretvorite u molove: 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. Podijelite najmanjom vrijednošću, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Omjer vodika 1.500 je polovina, a ne greška zaokruživanja, pa pomnožite svaki omjer sa 2: C₂H₃O₂. Njena formulska masa je 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Višekratnik je 118 ÷ 59.05 = 2.00, pa je molekulska formula C₄H₆O₄. To je formula ćilibarne kiseline. Zaokruživanje 1.5 naviše na 2 dalo bi CH₂O (30.03 g/mol), a 118 ÷ 30.03 = 3.93 nije cijeli broj, što je znak da je empirijska formula pogrešna.

Riješeni primjer: analiza sagorijevanjem organske tečnosti

Riješeni primjer 3. Uzorak tečnosti mase 0.3150 g, koji sadrži samo C, H i O, potpuno sagorijeva u višku kisika. Daje 0.6293 g CO₂ i 0.2577 g H₂O. Para ima molarnu masu od oko 88 g/mol. Pronađite obje formule.

Sav ugljik završi u CO₂, a sav vodik u H₂O. Masa C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Masa H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Kisik se ne može pratiti na isti način, jer je velik dio kisika u produktima potekao iz dovoda O₂, pa ga pronađite razlikom: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Molovi: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Dijeljenje sa 0.0071488 daje 2.000 : 4.001 : 1, pa je empirijska formula C₂H₄O, s formulskom masom 44.06 g/mol. Višekratnik je 88 ÷ 44.06 = 2.0, što daje C₄H₈O₂. Ovu molekulsku formulu dijeli nekoliko različitih spojeva, uključujući etil-acetat i butansku kiselinu, pa bi za identifikaciju tvari bili potrebni strukturni dokazi poput spektroskopije.

Gdje proračuni empirijske formule pogriješe

Većina grešaka događa se u dvije tačke: pri izboru onoga što se pretvara u molove i pri odluci kako postupiti s omjerom koji nije cijeli broj. Provjerite oboje prije nego napišete konačnu formulu.

Zatim provjerite odgovor prema podacima. Ponovo izračunajte procentni sastav formule koju predlažete i uporedite ga s izmjerenim vrijednostima; dobri podaci se obično slažu u okviru nekoliko desetinki procenta. U riješenom primjeru 2, C₄H₆O₄ daje 40.68% C, 5.13% H i 54.19% O, što odgovara analizi.

• Zaokruživanje omjera 1.5 ili 1.33 na najbliži cijeli broj umjesto množenja svih omjera.
• Zaokruživanje vrijednosti u molovima na jednu ili dvije značajne cifre, što jasnu vrijednost 1.50 može pretvoriti u nešto dvosmisleno.
• Dijeljenje mase kisika sa 32.00 g/mol. Koristite atomsku masu O, 16.00, jer indeksi broje atome.
• Pripisivanje kisika iz produkata sagorijevanja uzorku. Kisik uzorka pronađite razlikom.
• Zanemarivanje elementa koji nedostaje. Ako se navedeni postoci zbrajaju u znatno manje od 100%, prisutan je još jedan element, često kisik.
• Prihvatanje necjelobrojnog molekulskog višekratnika. Ako molarna masa ÷ masa empirijske formule nije blizu cijelog broja, ponovo provjerite empirijsku formulu.