Tapasztalati és molekulaképletek adatokból

A legegyszerűbb arány és a tényleges összetétel

A tapasztalati képlet a vegyületben lévő atomok legkisebb egész számú arányát adja meg. A molekulaképlet az egyes atomfajták tényleges számát adja meg egy molekulában, és mindig egész számú többszöröse a tapasztalati képletnek. A hidrogén-peroxid molekulaképlete H₂O₂, tapasztalati képlete HO. A glükóz, C₆H₁₂O₆ tapasztalati képlete CH₂O, amelyen osztozik a formaldehiddel és az ecetsavval.

A tömegadatok önmagukban csak a tapasztalati képletet tárhatják fel, mert a H₂O₂ és a HO tömegszázalékos összetétele azonos. A többszörös megtalálásához külön moláris tömeg mérésre van szükség. Az ionos vegyületeknél, például a nátrium-kloridnál, amelyek kiterjedt rácsot alkotnak különálló molekulák helyett, a képletegységet megállapodás szerint általában tapasztalati képletként írják fel. A kivételek egy többatomos iont érintetlenül hagynak, mint a nátrium-peroxid, Na₂O₂, amely a peroxidiont, O₂²⁻-t tartalmazza.

Tömegszázalékos összetétel ismert képletből

Egy elem tömegszázaléka az adott elem egy mól vegyületben lévő tömege osztva a moláris tömeggel, szorozva 100-zal. Ez az útmutató két tizedesjegyre kerekített IUPAC standard atomtömegeket használ: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 és Fe 55.85.

1. megoldott példa. Az ammónium-szulfátot, (NH₄)₂SO₄-t nitrogéntrágyaként használják. Mekkora a nitrogén tömegszázaléka? Egy képletegység 2 N-t, 8 H-t, 1 S-t és 4 O-t tartalmaz, így a moláris tömeg 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Nitrogén: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. A többi elem értéke 6.11% H, 24.26% S és 48.43% O, és a négy érték összege 100.00%, ami hasznos ellenőrzés arra, hogy egyetlen atom sem maradt ki.

A tömegekből egész számú mólarány

Az alsó indexek atomokat számolnak, az atomokat pedig mólban számoljuk, ezért a módszer mindig a mólon keresztül vezet. A különböző elemek grammjait nem lehet közvetlenül összehasonlítani, mert az atomjaik tömege eltérő.

A tizedes törtből törtté alakítás lépése mérlegelést igényel. A kísérleti arányok ritkán pontosak, ezért az egész számtól körülbelül 0.1-en belül lévő érték általában kerekíthető, de az 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 vagy 1.75 közeli érték törtet jelez. Szorozza meg az összes arányt megfelelően 2-vel, 3-mal vagy 4-gyel. Például egy 1.737 g Fe-t és 0.747 g O-t tartalmazó vas-oxid-minta 0.03110 mol Fe-t és 0.0467 mol O-t ad. Az O:Fe arány 1.50, így a megduplázás Fe₂O₃-at ad.

• Induljon ki a tömegekből. Ha százalékai vannak, tegyen fel 100 g-os mintát, hogy minden százalék grammá váljon.
• Váltsa át az egyes tömegeket mólra az adott elem atomtömegével.
• Osszon minden mólértéket a legkisebbel.
• Ha bármelyik arány nem áll közel egész számhoz, szorozza meg az összes arányt a legkisebb olyan egész számmal, amely egésszé teszi őket.
• Az alsó indexeket a szokásos sorrendben írja fel (szerves vegyületeknél először a C, azután a H, majd a többi ábécésorrendben).

Megoldott példa: egy karbonsav a tömegszázalékos összetételből

2. megoldott példa. Egy fehér kristályos sav elemzése tömegre 40.68% C-t, 5.13% H-t és 54.19% O-t ad. Egy külön mérés szerint a moláris tömege 118 g/mol. Határozza meg a tapasztalati és a molekulaképletet.

Tegyen fel 100 g-ot, így a minta 40.68 g C-t, 5.13 g H-t és 54.19 g O-t tartalmaz. Váltsa át mólra: 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. Osszon a legkisebb értékkel, 3.387-tel: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

A hidrogén 1.500-as aránya egy fél, nem kerekítési hiba, ezért szorozza meg az összes arányt 2-vel: C₂H₃O₂. A képlettömege 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. A többszörös 118 ÷ 59.05 = 2.00, így a molekulaképlet C₄H₆O₄. Ez a borostyánkősav képlete. Az 1.5 felfelé 2-re kerekítése CH₂O-t (30.03 g/mol) adott volna, a 118 ÷ 30.03 = 3.93 pedig nem egész szám, ami annak jele, hogy a tapasztalati képlet hibás.

Megoldott példa: egy szerves folyadék égetéses elemzése

3. megoldott példa. Egy csak C-t, H-t és O-t tartalmazó folyadék 0.3150 g-os mintáját feleslegben lévő oxigénben teljesen elégetik. Ez 0.6293 g CO₂-ot és 0.2577 g H₂O-t eredményez. A gőz moláris tömege körülbelül 88 g/mol. Határozza meg mindkét képletet.

Az összes szén a CO₂-ban, az összes hidrogén a H₂O-ban köt ki. A C tömege = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. A H tömege = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Az oxigént nem lehet ugyanígy visszavezetni, mert a termékekben lévő oxigén nagy része az O₂-ellátásból származott, ezért különbséggel határozza meg: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Mólok: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. A 0.0071488-cal osztás 2.000 : 4.001 : 1-et ad, így a tapasztalati képlet C₂H₄O, 44.06 g/mol képlettömeggel. A többszörös 88 ÷ 44.06 = 2.0, ami C₄H₈O₂-t ad. Több különböző vegyületnek is ez a molekulaképlete, például az etil-acetátnak és a vajsavnak, ezért az anyag azonosításához szerkezeti bizonyíték, például spektroszkópia kellene.

Hol mennek félre a tapasztalatiképlet-számítások

A legtöbb hiba két ponton történik: amikor megválasztjuk, mit váltunk mólra, és amikor eldöntjük, hogyan kezeljünk egy nem egész számú arányt. Mindkettőt ellenőrizze, mielőtt felírja a végső képletet.

Ezután vesse össze a választ az adatokkal. Számítsa ki újra a javasolt képlet tömegszázalékos összetételét, és hasonlítsa össze a mért értékekkel; a jó adatok általában néhány tized százalékon belül egyeznek. A 2. megoldott példában a C₄H₆O₄ 40.68% C-t, 5.13% H-t és 54.19% O-t ad, ami megfelel az elemzésnek.

• Az 1.5 vagy 1.33 arány legközelebbi egészre kerekítése a végigszorzás helyett.
• A mólértékek egy-két értékes jegyre kerekítése, ami egy egyértelmű 1.50-et kétértelművé tehet.
• Az oxigén tömegének osztása 32.00 g/mol-lal. Használja az O atomtömegét, 16.00-at, mert az alsó indexek atomokat számolnak.
• Az égéstermékek oxigénjének a mintához rendelése. A minta oxigénjét különbséggel határozza meg.
• Egy hiányzó elem figyelmen kívül hagyása. Ha a megadott százalékok összege jóval 100% alatt van, egy másik elem, gyakran oxigén is jelen van.
• Nem egész számú molekuláris többszörös elfogadása. Ha a moláris tömeg ÷ tapasztalati képlet tömege nem áll közel egész számhoz, ellenőrizze újra a tapasztalati képletet.