Empiirilised valemid ja molekulvalemid andmetest

Lihtsaim suhe versus tegelik koostis

Empiiriline valem annab ühendis olevate aatomite väikseima täisarvulise suhte. Molekulvalem annab iga liiki aatomite tegeliku arvu ühes molekulis ja see on alati empiirilise valemi täisarvuline kordne. Vesinikperoksiidi molekulvalem on H₂O₂ ja empiiriline valem HO. Glükoosi, C₆H₁₂O₆, empiiriline valem on CH₂O, mis on sama mis formaldehüüdil ja äädikhappel.

Ainult massiandmed võivad paljastada ainult empiirilise valemi, sest H₂O₂ ja HO protsentkoostis on identne. Kordse leidmiseks on vaja eraldi molaarmassi mõõtmist. Ioonsete ühendite, näiteks naatriumkloriidi, puhul, mis moodustavad laiendatud võred, mitte diskreetseid molekule, kirjutatakse valemiühik tavaliselt kokkuleppeliselt empiirilise valemina. Erandid hoiavad mitmeaatomilise iooni terve, nagu naatriumperoksiidis Na₂O₂, mis sisaldab peroksiidiooni O₂²⁻.

Protsentkoostis teadaoleva valemi põhjal

Elemendi massiprotsent on selle elemendi mass ühes moolis ühendis jagatud molaarmassiga, korrutatud 100-ga. Selles juhendis kasutatakse IUPAC-i standardseid aatommasse, mis on ümardatud kahe kümnendkohani: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 ja Fe 55.85.

Lahendatud näide 1. Ammooniumsulfaati (NH₄)₂SO₄ kasutatakse lämmastikväetisena. Kui suur on selle lämmastiku massiprotsent? Üks valemiühik sisaldab 2 N, 8 H, 1 S ja 4 O, seega on molaarmass 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Lämmastik: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Teised elemendid annavad 6.11% H, 24.26% S ja 48.43% O ning need neli väärtust annavad kokku 100.00%, mis on kasulik kontroll, et ükski aatom ei jäänud märkamata.

Masside muutmine täisarvuliseks mooli suhteks

Indeksid loevad aatomeid ja aatomeid loetakse moolides, seega läbib meetod alati moole. Erinevate elementide gramme ei saa otse võrrelda, sest nende aatomitel on erinevad massid.

Kümnendmurdudest murdudeni jõudmise samm nõuab otsustusvõimet. Katselised suhted on harva täpsed, seega võib väärtuse, mis on täisarvust umbes 0.1 piires, tavaliselt ümardada, kuid väärtus 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 või 1.75 lähedal viitab murrule. Korruta kõik suhted vajaduse järgi 2, 3 või 4-ga. Näiteks raudoksiidi proov, mis sisaldab 1.737 g Fe ja 0.747 g O, annab 0.03110 mol Fe ja 0.0467 mol O. Suhe O:Fe on 1.50, seega kahega korrutamine annab Fe₂O₃.

• Alusta massidest. Kui sul on protsendid, eelda 100 g proovi, nii et iga protsent muutub grammideks.
• Teisenda iga mass moolideks, kasutades selle elemendi aatommassi.
• Jaga kõik moolide väärtused väikseimaga.
• Kui mõni suhe ei ole täisarvule lähedal, korruta kõik suhted väikseima täisarvuga, mis teeb need täisarvulisteks.
• Kirjuta indeksid tavapärases järjekorras (orgaaniliste ühendite puhul esmalt C, siis H, seejärel ülejäänud tähestikulises järjekorras).

Lahendatud näide: karboksüülhape protsentkoostisest

Lahendatud näide 2. Valge kristallilise happe analüüs annab massi järgi 40.68% C, 5.13% H ja 54.19% O. Eraldi mõõtmine annab selle molaarmassiks 118 g/mol. Leia empiiriline valem ja molekulvalem.

Eelda 100 g, nii et proovis on 40.68 g C, 5.13 g H ja 54.19 g O. Teisenda moolideks: 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. Jaga väikseima väärtusega 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Vesiniku suhe 1.500 on pool, mitte ümardusviga, seega korruta kõik suhted 2-ga: C₂H₃O₂. Selle valemmass on 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Kordne on 118 ÷ 59.05 = 2.00, seega on molekulvalem C₄H₆O₄. See on merevaikhappe valem. 1.5 ülespoole 2-ks ümardamine oleks andnud CH₂O (30.03 g/mol) ja 118 ÷ 30.03 = 3.93 ei ole täisarv, mis on märk, et empiiriline valem on vale.

Lahendatud näide: orgaanilise vedeliku põletusanalüüs

Lahendatud näide 3. 0.3150 g vedeliku proovi, mis sisaldab ainult C, H ja O, põletatakse täielikult liigses hapnikus. See annab 0.6293 g CO₂ ja 0.2577 g H₂O. Auru molaarmass on umbes 88 g/mol. Leia mõlemad valemid.

Kogu süsinik jõuab CO₂-sse ja kogu vesinik H₂O-sse. C mass = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. H mass = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Hapnikku ei saa samamoodi jälgida, sest suur osa saaduste hapnikust pärines O₂ varustusest, seega leia see vahe kaudu: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Moolid: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Jagamine arvuga 0.0071488 annab 2.000 : 4.001 : 1, seega on empiiriline valem C₂H₄O valemmassiga 44.06 g/mol. Kordne on 88 ÷ 44.06 = 2.0, mis annab C₄H₈O₂. Selle molekulvalemi jagavad mitu erinevat ühendit, sealhulgas etüületanaat ja butaanhape, seega nõuaks aine tuvastamine struktuurset tõendusmaterjali, näiteks spektroskoopiat.

Kus empiirilise valemi arvutused valesti lähevad

Enamik vigu juhtub kahes kohas: valides, mida moolideks teisendada, ja otsustades, kuidas käsitleda mitte-täisarvulist suhet. Kontrolli mõlemat enne lõppvalemi kirjutamist.

Seejärel testi vastust andmete vastu. Arvuta uuesti pakutava valemi protsentkoostis ja võrdle seda mõõdetud väärtustega; head andmed kattuvad tavaliselt mõne kümnendprotsendi täpsusega. Lahendatud näites 2 annab C₄H₆O₄ 40.68% C, 5.13% H ja 54.19% O, mis vastab analüüsile.

• Suhte 1.5 või 1.33 ümardamine lähima täisarvuni selle asemel, et läbi korrutada.
• Moolide väärtuste ümardamine ühe või kahe tüvenumbrini, mis võib selge 1.50 muuta mitmetähenduslikuks.
• Hapniku massi jagamine arvuga 32.00 g/mol. Kasuta O aatommassi 16.00, sest indeksid loevad aatomeid.
• Põletusaaduste hapniku omistamine proovile. Leia proovi hapnik vahena.
• Puuduva elemendi ignoreerimine. Kui märgitud protsendid annavad kokku selgelt vähem kui 100%, on olemas mõni teine element, sageli hapnik.
• Mitte-täisarvulise molekulaarse kordse aktsepteerimine. Kui molaarmass ÷ empiirilise valemi mass ei ole täisarvule lähedal, kontrolli empiirilist valemit uuesti.