Empiiriset ja molekyylikaavat datasta

Yksinkertaisin suhde ja todellinen koostumus

Empiirinen kaava antaa yhdisteen atomien pienimmän kokonaislukusuhteen. Molekyylikaava antaa kunkin atomilajin todellisen lukumäärän yhdessä molekyylissä, ja se on aina empiirisen kaavan kokonaislukukerrannainen. Vetyperoksidin molekyylikaava on H₂O₂ ja empiirinen kaava HO. Glukoosin, C₆H₁₂O₆, empiirinen kaava on CH₂O, joka on sama kuin formaldehydillä ja etikkahapolla.

Pelkkä massadata voi paljastaa vain empiirisen kaavan, koska H₂O₂:lla ja HO:lla on identtinen prosenttikoostumus. Kerrannaisen löytämiseen tarvitaan erillinen moolimassan mittaus. Ioniyhdisteille, kuten natriumkloridille, jotka muodostavat laajoja hiloja erillisten molekyylien sijaan, kaavayksikkö kirjoitetaan yleensä empiirisenä kaavana sopimuksen mukaan. Poikkeukset pitävät moniatomisen ionin ehjänä, kuten natriumperoksidissa, Na₂O₂, joka sisältää peroksidi-ionin O₂²⁻.

Prosenttikoostumus tunnetusta kaavasta

Alkuaineen massaprosentti on kyseisen alkuaineen massa yhdessä moolissa yhdistettä jaettuna moolimassalla ja kerrottuna sadalla. Tässä oppaassa käytetään kahteen desimaaliin pyöristettyjä IUPAC:n standardiatomipainoja: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 ja Fe 55.85.

Läpikäyty esimerkki 1. Ammoniumsulfaattia, (NH₄)₂SO₄, käytetään typpilannoitteena. Mikä on sen typen massaprosentti? Yksi kaavayksikkö sisältää 2 N, 8 H, 1 S ja 4 O, joten moolimassa on 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Typpi: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Muille alkuaineille saadaan 6.11% H, 24.26% S ja 48.43% O, ja nämä neljä arvoa summautuvat 100.00%:iin, mikä on hyvä tarkistus siitä, ettei yhtään atomia ole jäänyt pois.

Massoista kokonaislukumoolisuhteeksi

Alaindeksit laskevat atomeja, ja atomit lasketaan moleina, joten menetelmä kulkee aina moolien kautta. Eri alkuaineiden grammoja ei voi verrata suoraan, koska niiden atomeilla on eri massat.

Desimaalien muuttaminen murtoluvuiksi vaatii harkintaa. Kokeelliset suhteet ovat harvoin tarkkoja, joten arvo, joka on noin 0.1:n sisällä kokonaisluvusta, voidaan yleensä pyöristää, mutta arvo lähellä lukuja 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 tai 1.75 viittaa murtolukuun. Kerro kaikki suhteet tarpeen mukaan luvulla 2, 3 tai 4. Esimerkiksi rautaoksidinäyte, joka sisältää 1.737 g Fe ja 0.747 g O, antaa 0.03110 mol Fe ja 0.0467 mol O. Suhde O:Fe on 1.50, joten kaksinkertaistamalla saadaan Fe₂O₃.

• Aloita massoista. Jos sinulla on prosentteja, oleta 100 g:n näyte, jolloin jokainen prosenttiluku muuttuu grammoiksi.
• Muunna jokainen massa moleiksi kyseisen alkuaineen atomipainon avulla.
• Jaa jokainen moolilukema pienimmällä niistä.
• Jos jokin suhde ei ole lähellä kokonaislukua, kerro kaikki suhteet pienimmällä kokonaisluvulla, joka tekee niistä kokonaislukuja.
• Kirjoita alaindeksit tavanomaisessa järjestyksessä (orgaanisissa yhdisteissä ensin C, sitten H ja sen jälkeen muut aakkosjärjestyksessä).

Läpikäyty esimerkki: karboksyylihappo prosenttikoostumuksesta

Läpikäyty esimerkki 2. Valkoisen kiteisen hapon analyysi antaa massaosuuksiksi 40.68% C, 5.13% H ja 54.19% O. Erillinen mittaus antaa sen moolimassaksi 118 g/mol. Määritä empiirinen kaava ja molekyylikaava.

Oleta 100 g, jolloin näytteessä on 40.68 g C, 5.13 g H ja 54.19 g O. Muunna moleiksi: 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. Jaa pienimmällä arvolla, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Vedyn suhde 1.500 on puolikas eikä pyöristysvirhe, joten kerro kaikki suhteet kahdella: C₂H₃O₂. Sen kaavamassa on 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Kerrannainen on 118 ÷ 59.05 = 2.00, joten molekyylikaava on C₄H₆O₄. Tämä on meripihkahapon kaava. Jos 1.5 olisi pyöristetty ylöspäin lukuun 2, olisi saatu CH₂O (30.03 g/mol), ja 118 ÷ 30.03 = 3.93 ei ole kokonaisluku, mikä on merkki siitä, että empiirinen kaava on väärä.

Läpikäyty esimerkki: orgaanisen nesteen palamisanalyysi

Läpikäyty esimerkki 3. Nestenäyte, jonka massa on 0.3150 g ja joka sisältää vain C:tä, H:ta ja O:ta, poltetaan täydellisesti hapen ylimäärässä. Siitä syntyy 0.6293 g CO₂:ta ja 0.2577 g H₂O:ta. Höyryn moolimassa on noin 88 g/mol. Määritä molemmat kaavat.

Kaikki hiili päätyy CO₂:ksi ja kaikki vety H₂O:ksi. C:n massa = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. H:n massa = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Happea ei voi jäljittää samalla tavalla, koska suuri osa tuotteiden hapesta tuli O₂-syötöstä, joten se saadaan erotuksena: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Moolit: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Jakamalla luvulla 0.0071488 saadaan 2.000 : 4.001 : 1, joten empiirinen kaava on C₂H₄O ja sen kaavamassa 44.06 g/mol. Kerrannainen on 88 ÷ 44.06 = 2.0, mikä antaa kaavan C₄H₈O₂. Usealla eri yhdisteellä on tämä molekyylikaava, esimerkiksi etyyliasetaatilla ja butaanihapolla, joten aineen tunnistaminen vaatisi rakenteellista näyttöä, kuten spektroskopiaa.

Missä empiirisen kaavan laskut menevät pieleen

Useimmat virheet tapahtuvat kahdessa kohdassa: valittaessa, mitä muunnetaan moleiksi, ja päätettäessä, miten kokonaisluvuksi osumaton suhde käsitellään. Tarkista molemmat ennen lopullisen kaavan kirjoittamista.

Testaa sitten vastaus dataa vasten. Laske ehdottamasi kaavan prosenttikoostumus uudelleen ja vertaa sitä mitattuihin arvoihin; hyvä data täsmää yleensä muutaman kymmenesosaprosentin sisällä. Läpikäydyssä esimerkissä 2 kaava C₄H₆O₄ antaa 40.68% C, 5.13% H ja 54.19% O, mikä vastaa analyysia.

• Suhteen 1.5 tai 1.33 pyöristäminen lähimpään kokonaislukuun sen sijaan, että kerrottaisiin läpi.
• Moolilukemien pyöristäminen yhteen tai kahteen merkitsevään numeroon, mikä voi tehdä selvästä luvusta 1.50 monitulkintaisen.
• Hapen massan jakaminen luvulla 32.00 g/mol. Käytä hapen atomipainoa 16.00, koska alaindeksit laskevat atomeja.
• Palamistuotteiden hapen lukeminen näytteen hapeksi. Etsi näytteen happi erotuksena.
• Puuttuvan alkuaineen sivuuttaminen. Jos ilmoitettujen prosenttien summa on selvästi alle 100%, mukana on toinen alkuaine, usein happi.
• Ei-kokonaislukuisen molekyylikerrannaisen hyväksyminen. Jos moolimassa ÷ empiirisen kaavan massa ei ole lähellä kokonaislukua, tarkista empiirinen kaava uudelleen.