Εμπειρικοί και μοριακοί τύποι από δεδομένα

Η απλούστερη αναλογία έναντι της πραγματικής σύστασης

Ο εμπειρικός τύπος δίνει τη μικρότερη αναλογία ακέραιων αριθμών ατόμων σε μια ένωση. Ο μοριακός τύπος δίνει τον πραγματικό αριθμό ατόμων κάθε είδους σε ένα μόριο και είναι πάντα ακέραιο πολλαπλάσιο του εμπειρικού τύπου. Το υπεροξείδιο του υδρογόνου έχει μοριακό τύπο H₂O₂ και εμπειρικό τύπο HO. Η γλυκόζη, C₆H₁₂O₆, έχει εμπειρικό τύπο CH₂O, τον ίδιο με τη φορμαλδεΰδη και το οξικό οξύ.

Μόνο με δεδομένα μάζας μπορεί να βρεθεί ο εμπειρικός τύπος, επειδή τα H₂O₂ και HO έχουν πανομοιότυπη εκατοστιαία σύσταση. Για να βρεθεί το πολλαπλάσιο χρειάζεται ξεχωριστή μέτρηση της γραμμομοριακής μάζας. Στις ιοντικές ενώσεις, όπως το χλωριούχο νάτριο, που σχηματίζουν εκτεταμένα πλέγματα και όχι διακριτά μόρια, η τυπική μονάδα γράφεται συνήθως ως εμπειρικός τύπος κατά σύμβαση. Οι εξαιρέσεις διατηρούν ένα πολυατομικό ιόν ακέραιο, όπως στο υπεροξείδιο του νατρίου, Na₂O₂, που περιέχει το υπεροξειδικό ιόν O₂²⁻.

Εκατοστιαία σύσταση από γνωστό τύπο

Το εκατοστιαίο ποσοστό μάζας ενός στοιχείου είναι η μάζα του στοιχείου σε ένα mol της ένωσης διά τη γραμμομοριακή μάζα, επί 100. Ο οδηγός αυτός χρησιμοποιεί τις πρότυπες ατομικές μάζες της IUPAC στρογγυλοποιημένες σε δύο δεκαδικά ψηφία: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 και Fe 55.85.

Λυμένο παράδειγμα 1. Το θειικό αμμώνιο, (NH₄)₂SO₄, χρησιμοποιείται ως αζωτούχο λίπασμα. Ποιο είναι το εκατοστιαίο ποσοστό μάζας του αζώτου; Μία τυπική μονάδα περιέχει 2 N, 8 H, 1 S και 4 O, άρα η γραμμομοριακή μάζα είναι 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Άζωτο: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Τα άλλα στοιχεία προκύπτουν 6.11% H, 24.26% S και 48.43% O, και οι τέσσερις τιμές αθροίζουν 100.00%, ένας χρήσιμος έλεγχος ότι δεν παραλείφθηκαν άτομα.

Μετατροπή των μαζών σε αναλογία mol ακέραιων αριθμών

Οι δείκτες μετρούν άτομα και τα άτομα μετριούνται σε mol, άρα η μέθοδος περνά πάντα μέσα από τα mol. Τα γραμμάρια διαφορετικών στοιχείων δεν μπορούν να συγκριθούν άμεσα, επειδή τα άτομά τους έχουν διαφορετική μάζα.

Το βήμα από τον δεκαδικό στο κλάσμα θέλει κρίση. Οι πειραματικές αναλογίες σπάνια είναι ακριβείς, άρα μια τιμή σε απόσταση περίπου 0.1 από έναν ακέραιο μπορεί συνήθως να στρογγυλοποιηθεί, ενώ μια τιμή κοντά στο 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 ή 1.75 δείχνει κλάσμα. Πολλαπλασιάστε όλες τις αναλογίες με 2, 3 ή 4 ανάλογα. Για παράδειγμα, ένα δείγμα οξειδίου του σιδήρου που περιέχει 1.737 g Fe και 0.747 g O δίνει 0.03110 mol Fe και 0.0467 mol O. Η αναλογία O:Fe είναι 1.50, άρα με διπλασιασμό προκύπτει Fe₂O₃.

• Ξεκίνα από μάζες. Αν έχετε ποσοστά, θεωρήστε δείγμα 100 g ώστε κάθε ποσοστό να γίνει γραμμάρια.
• Μετατρέψτε κάθε μάζα σε mol με την ατομική μάζα του στοιχείου.
• Διαιρέστε όλες τις τιμές των mol με τη μικρότερη.
• Αν κάποια αναλογία δεν είναι κοντά σε ακέραιο, πολλαπλασιάστε όλες τις αναλογίες με τον μικρότερο ακέραιο που τις κάνει ακέραιες.
• Γράψτε τους δείκτες με τη συμβατική σειρά (για τις οργανικές ενώσεις, πρώτα C, έπειτα H και μετά τα υπόλοιπα αλφαβητικά).

Λυμένο παράδειγμα: ένα καρβοξυλικό οξύ από την εκατοστιαία σύσταση

Λυμένο παράδειγμα 2. Η ανάλυση ενός λευκού κρυσταλλικού οξέος δίνει κατά μάζα 40.68% C, 5.13% H και 54.19% O. Μια ξεχωριστή μέτρηση δίνει γραμμομοριακή μάζα 118 g/mol. Βρείτε τον εμπειρικό και τον μοριακό τύπο.

Θεωρήστε 100 g, ώστε το δείγμα να έχει 40.68 g C, 5.13 g H και 54.19 g O. Μετατρέψτε σε 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. Διαιρέστε με τη μικρότερη τιμή, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Η αναλογία 1.500 του υδρογόνου είναι ένα μισό και όχι σφάλμα στρογγυλοποίησης, άρα πολλαπλασιάστε όλες τις αναλογίες με 2: C₂H₃O₂. Η μάζα τύπου είναι 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Το πολλαπλάσιο είναι 118 ÷ 59.05 = 2.00, άρα ο μοριακός τύπος είναι C₄H₆O₄. Αυτός είναι ο τύπος του ηλεκτρικού οξέος. Αν στρογγυλοποιούσατε το 1.5 προς το 2, θα έβγαινε CH₂O (30.03 g/mol) και το 118 ÷ 30.03 = 3.93 δεν είναι ακέραιος, ένδειξη ότι ο εμπειρικός τύπος είναι λάθος.

Λυμένο παράδειγμα: ανάλυση καύσης ενός οργανικού υγρού

Λυμένο παράδειγμα 3. Δείγμα 0.3150 g ενός υγρού που περιέχει μόνο C, H και O καίγεται πλήρως σε περίσσεια οξυγόνου. Παράγει 0.6293 g CO₂ και 0.2577 g H₂O. Οι ατμοί έχουν γραμμομοριακή μάζα περίπου 88 g/mol. Βρείτε και τους δύο τύπους.

Όλος ο άνθρακας καταλήγει σε CO₂ και όλο το υδρογόνο σε H₂O. Μάζα C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Μάζα H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Το οξυγόνο δεν μπορεί να εντοπιστεί με τον ίδιο τρόπο, επειδή μεγάλο μέρος του οξυγόνου στα προϊόντα προήλθε από την παροχή O₂, γι' αυτό βρείτε το με διαφορά: 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. Η διαίρεση με 0.0071488 δίνει 2.000 : 4.001 : 1, άρα ο εμπειρικός τύπος είναι C₂H₄O, με μάζα τύπου 44.06 g/mol. Το πολλαπλάσιο είναι 88 ÷ 44.06 = 2.0, που δίνει C₄H₈O₂. Αρκετές διαφορετικές ενώσεις έχουν αυτόν τον μοριακό τύπο, μεταξύ τους ο οξικός αιθυλεστέρας και το βουτανικό οξύ, άρα για να ταυτοποιηθεί η ουσία χρειάζονται δομικές ενδείξεις, όπως φασματοσκοπία.

Πού αστοχούν οι υπολογισμοί εμπειρικών τύπων

Τα περισσότερα λάθη γίνονται σε δύο σημεία: στην επιλογή του τι θα μετατραπεί σε mol και στον τρόπο που αντιμετωπίζεται μια αναλογία που δεν είναι ακέραιος αριθμός. Ελέγξτε και τα δύο πριν γράψετε τον τελικό τύπο.

Έπειτα ελέγξτε την απάντηση με τα δεδομένα. Υπολογίστε ξανά την εκατοστιαία σύσταση του τύπου που προτείνετε και συγκρίνετε την με τις μετρημένες τιμές· καλά δεδομένα συνήθως συμφωνούν μέσα σε μερικά δέκατα του εκατοστού. Στο λυμένο παράδειγμα 2, το C₄H₆O₄ δίνει 40.68% C, 5.13% H και 54.19% O, σε συμφωνία με την ανάλυση.

• Στρογγυλοποίηση μιας αναλογίας 1.5 ή 1.33 στον πλησιέστερο ακέραιο αντί για πολλαπλασιασμό όλων των αναλογιών.
• Στρογγυλοποίηση των τιμών των mol σε ένα ή δύο σημαντικά ψηφία, κάτι που μπορεί να κάνει ένα σαφές 1.50 διφορούμενο.
• Διαίρεση μάζας οξυγόνου με 32.00 g/mol. Χρησιμοποιήστε την ατομική μάζα του O, 16.00, επειδή οι δείκτες μετρούν άτομα.
• Απόδοση στο δείγμα του οξυγόνου των προϊόντων καύσης. Βρείτε το οξυγόνο του δείγματος με διαφορά.
• Παράβλεψη ενός στοιχείου που λείπει. Αν τα δοσμένα ποσοστά αθροίζουν αισθητά κάτω από 100%, υπάρχει κάποιο άλλο στοιχείο, συχνά οξυγόνο.
• Αποδοχή μη ακέραιου μοριακού πολλαπλασίου. Αν η γραμμομοριακή μάζα ÷ μάζα εμπειρικού τύπου δεν είναι κοντά σε ακέραιο, ελέγξτε ξανά τον εμπειρικό τύπο.