Empirijske i molekulske formule iz podataka

Najjednostavniji omjer nasuprot stvarnom sastavu

Empirijska formula daje najmanji cjelobrojni omjer atoma u spoju. Molekulska formula daje stvarni broj atoma svake vrste 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.

Podaci o masi sami mogu otkriti samo empirijsku formulu, jer H₂O₂ i HO imaju identičan postotni sastav. Za pronalaženje višekratnika potrebno je zasebno mjerenje molarne mase. Kod ionskih spojeva poput natrijeva klorida, koji tvore proširene kristalne rešetke umjesto zasebnih molekula, formulska se jedinka prema dogovoru obično piše kao empirijska formula. Iznimke zadržavaju poliatomski ion netaknutim, kao u natrijevu peroksidu, Na₂O₂, koji sadrži peroksidni ion O₂²⁻.

Postotni sastav iz poznate formule

Maseni postotak elementa jest masa tog elementa u jednom molu spoja podijeljena molarnom masom, puta 100. Ovaj vodič koristi IUPAC-ove standardne atomske mase zaokružene na dvije decimale: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 i Fe 55.85.

Riješeni primjer 1. Amonijev sulfat, (NH₄)₂SO₄, koristi se kao dušično gnojivo. Koliki je njegov maseni postotak 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 daju 6.11% H, 24.26% S i 48.43% O, a 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 izravno uspoređivati jer njihovi atomi imaju različite mase.

Korak od decimale do razlomka traži prosudbu. Eksperimentalni omjeri rijetko su točni, 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 upućuje na razlomak. Pomnožite svaki omjer s 2, 3 ili 4, već prema potrebi. Na primjer, uzorak željezova 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 iznosi 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 s najmanjom.
• Ako neki omjer nije blizu cijelog broja, pomnožite sve omjere najmanjim cijelim brojem koji ih čini cjelobrojnima.
• Napišite indekse uobičajenim redoslijedom (za organske spojeve prvo C, zatim H, a ostalo abecednim redom).

Riješeni primjer: karboksilna kiselina iz postotnog sastava

Riješeni primjer 2. Analiza bijele kristalne kiseline daje 40.68% C, 5.13% H i 54.19% O po masi. Zasebno mjerenje određuje njezinu 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 s najmanjom vrijednošću, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Omjer vodika 1.500 jest pola, a ne pogreška zaokruživanja, pa pomnožite svaki omjer s 2: C₂H₃O₂. Njegova formulska masa iznosi 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 jantarne kiseline. Zaokruživanje 1.5 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 kriva.

Riješeni primjer: analiza izgaranjem organske tekućine

Riješeni primjer 3. Uzorak tekućine mase 0.3150 g koja sadrži samo C, H i O potpuno izgara u suvišku kisika. Nastaje 0.6293 g CO₂ i 0.2577 g H₂O. Para ima molarnu masu od oko 88 g/mol. Pronađite obje formule.

Sav ugljik završava 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 odredite 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. Dijeljenjem s 0.0071488 dobiva se 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 utvrđivanje tvari bili potrebni strukturni dokazi poput spektroskopije.

Gdje izračuni empirijske formule krenu krivo

Većina pogrešaka događa se na dvije točke: pri odabiru što pretvoriti 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. Ponovno izračunajte postotni sastav formule koju predlažete i usporedite ga s izmjerenim vrijednostima; dobri podaci obično se slažu unutar nekoliko desetinki postotka. 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 kroz sve omjere.
• Zaokruživanje vrijednosti u molovima na jednu ili dvije značajne znamenke, što jasnu vrijednost 1.50 može pretvoriti u dvosmislenu.
• Dijeljenje mase kisika s 32.00 g/mol. Upotrijebite atomsku masu O, 16.00, jer indeksi broje atome.
• Pripisivanje kisika iz produkata izgaranja uzorku. Kisik u uzorku odredite razlikom.
• Zanemarivanje elementa koji nedostaje. Ako se navedeni postoci zbrajaju u znatno manje od 100%, prisutan je još jedan element, često kisik.
• Prihvaćanje necjelobrojnog molekulskog višekratnika. Ako molarna masa ÷ masa empirijske formule nije blizu cijelom broju, ponovno provjerite empirijsku formulu.