ემპირიული და მოლეკულური ფორმულები მონაცემებიდან

უმარტივესი შეფარდება და ნამდვილი შედგენილობა

ემპირიული ფორმულა ნაერთში ატომების უმცირეს მთელ რიცხვთა შეფარდებას გვაძლევს. მოლეკულური ფორმულა გვაძლევს თითოეული სახეობის ატომების რეალურ რაოდენობას ერთ მოლეკულაში და ის ყოველთვის ემპირიული ფორმულის მთელი ჯერადია. წყალბადის ზეჟანგს აქვს მოლეკულური ფორმულა H₂O₂ და ემპირიული ფორმულა HO. გლუკოზას, C₆H₁₂O₆, აქვს ემპირიული ფორმულა CH₂O, რომელსაც იზიარებს ფორმალდეჰიდი და ძმარმჟავა.

მხოლოდ მასის მონაცემებით შეიძლება ემპირიული ფორმულის გამოვლენა, რადგან H₂O₂-სა და HO-ს იდენტური პროცენტული შედგენილობა აქვთ. ჯერადის საპოვნელად საჭიროა მოლური მასის ცალკე გაზომვა. იონური ნაერთებისთვის, როგორიცაა ნატრიუმის ქლორიდი, რომლებიც დისკრეტული მოლეკულების კი არა, გაფართოებული მესრის სახეს ქმნიან, ფორმულური ერთეული შეთანხმებით ჩვეულებრივ ემპირიული ფორმულის სახით იწერება. გამონაკლისები მრავალატომიან იონს მთლიანად ინარჩუნებს, როგორც ნატრიუმის ზეჟანგში, Na₂O₂, რომელიც ზეჟანგის იონს O₂²⁻ შეიცავს.

პროცენტული შედგენილობა ცნობილი ფორმულიდან

ელემენტის მასური პროცენტი არის ამ ელემენტის მასა ნაერთის ერთ მოლში, გაყოფილი მოლურ მასაზე და გამრავლებული 100-ზე. ეს სახელმძღვანელო იყენებს IUPAC-ის სტანდარტულ ატომურ მასებს, ორ ათობით თანრიგამდე დამრგვალებულს: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 და Fe 55.85.

მაგალითი 1. ამონიუმის სულფატი, (NH₄)₂SO₄, გამოიყენება როგორც აზოტის სასუქი. რამდენია მისი აზოტის მასური პროცენტი? ერთი ფორმულური ერთეული შეიცავს 2 N, 8 H, 1 S და 4 O-ს, ამიტომ მოლური მასაა 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. აზოტი: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. სხვა ელემენტები გამოდის 6.11% H, 24.26% S და 48.43% O, და ოთხივე მნიშვნელობის ჯამია 100.00%, რაც სასარგებლო შემოწმებაა იმისა, რომ არც ერთი ატომი არ გამოგვრჩენია.

მასების გადაქცევა მთელ რიცხვთა მოლურ შეფარდებად

ინდექსები ატომებს ითვლის, ატომები კი მოლებით ითვლება, ამიტომ მეთოდი ყოველთვის მოლებზე გადის. სხვადასხვა ელემენტის გრამების პირდაპირ შედარება შეუძლებელია, რადგან მათ ატომებს განსხვავებული მასები აქვს.

ათობითიდან წილადზე გადასვლის ნაბიჯს განსჯა სჭირდება. ექსპერიმენტული შეფარდებები იშვიათად არის ზუსტი, ამიტომ მთელი რიცხვიდან დაახლოებით 0.1-ის ფარგლებში მდებარე მნიშვნელობა ჩვეულებრივ შეიძლება დამრგვალდეს, მაგრამ 1.5-ის, 1.33-ის, 1.67-ის, 1.25-ის ან 1.75-ის მახლობლად მნიშვნელობა წილადზე მიუთითებს. გაამრავლეთ ყველა შეფარდება 2-ზე, 3-ზე ან 4-ზე, საჭიროებისამებრ. მაგალითად, რკინის ოქსიდის ნიმუში, რომელიც შეიცავს 1.737 g Fe-სა და 0.747 g O-ს, გვაძლევს 0.03110 mol Fe-სა და 0.0467 mol O-ს. შეფარდება O:Fe არის 1.50, ამიტომ გაორმაგება გვაძლევს Fe₂O₃-ს.

• დაიწყეთ მასებით. თუ პროცენტები გაქვთ, ჩათვალეთ 100 g ნიმუში, რომ თითოეული პროცენტი გრამებად იქცეს.
• თითოეული მასა მოლებად გადაიყვანეთ ამ ელემენტის ატომური მასით.
• გაყავით ყოველი მოლის მნიშვნელობა ყველაზე პატარაზე.
• თუ რომელიმე შეფარდება მთელი რიცხვის ახლოს არ არის, გაამრავლეთ ყველა შეფარდება უმცირეს მთელ რიცხვზე, რომელიც მათ მთელებად აქცევს.
• ინდექსები ჩაწერეთ მიღებული თანმიმდევრობით (ორგანული ნაერთებისთვის ჯერ C, შემდეგ H, დანარჩენი ანბანის მიხედვით).

გადაწყვეტილი მაგალითი: კარბონმჟავა პროცენტული შედგენილობიდან

მაგალითი 2. თეთრი კრისტალური მჟავას ანალიზი გვაძლევს მასით 40.68% C, 5.13% H და 54.19% O. ცალკე გაზომვა მის მოლურ მასას 118 g/mol-ად ადგენს. იპოვეთ ემპირიული და მოლეკულური ფორმულები.

ჩათვალეთ 100 g, ამიტომ ნიმუშს აქვს 40.68 g C, 5.13 g H და 54.19 g O. გადაიყვანეთ მოლებში: 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. გაყავით უმცირეს მნიშვნელობაზე, 3.387-ზე: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

წყალბადის შეფარდება 1.500 ნახევარია და არა დამრგვალების ცდომილება, ამიტომ ყველა შეფარდება გაამრავლეთ 2-ზე: C₂H₃O₂. მისი ფორმულური მასაა 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. ჯერადია 118 ÷ 59.05 = 2.00, ამიტომ მოლეკულური ფორმულაა C₄H₆O₄. ეს არის ქარვის მჟავას ფორმულა. 1.5-ის 2-მდე ზევით დამრგვალება მოგვცემდა CH₂O-ს (30.03 g/mol), ხოლო 118 ÷ 30.03 = 3.93 მთელი რიცხვი არ არის, რაც იმის ნიშანია, რომ ემპირიული ფორმულა არასწორია.

გადაწყვეტილი მაგალითი: ორგანული სითხის წვის ანალიზი

მაგალითი 3. სითხის 0.3150 g ნიმუში, რომელიც მხოლოდ C-ს, H-სა და O-ს შეიცავს, სრულად იწვება ჟანგბადის სიჭარბეში. მიიღება 0.6293 g CO₂ და 0.2577 g H₂O. ორთქლის მოლური მასაა დაახლოებით 88 g/mol. იპოვეთ ორივე ფორმულა.

მთელი ნახშირბადი CO₂-ში აღმოჩნდება, მთელი წყალბადი კი H₂O-ში. C-ის მასა = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. H-ის მასა = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. ჟანგბადს ასე ვერ მივადევნებთ თვალს, რადგან პროდუქტებში ჟანგბადის დიდი ნაწილი O₂-ის მიწოდებიდან მოვიდა, ამიტომ იპოვეთ ის სხვაობით: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

მოლები: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. 0.0071488-ზე გაყოფა გვაძლევს 2.000 : 4.001 : 1-ს, ამიტომ ემპირიული ფორმულაა C₂H₄O, ფორმულური მასით 44.06 g/mol. ჯერადია 88 ÷ 44.06 = 2.0, რაც გვაძლევს C₄H₈O₂-ს. ამ მოლეკულურ ფორმულას რამდენიმე განსხვავებული ნაერთი იზიარებს, მათ შორის ეთილაცეტატი და ბუტანმჟავა, ამიტომ ნივთიერების იდენტიფიცირებას სტრუქტურული მტკიცებულება დასჭირდება, მაგალითად სპექტროსკოპია.

სად უშვებს შეცდომას ემპირიული ფორმულის გამოთვლა

შეცდომების უმეტესობა ორ წერტილში ხდება: რა გადავიყვანოთ მოლებში და როგორ მოვექცეთ შეფარდებას, რომელიც მთელი რიცხვი არ არის. შეამოწმეთ ორივე, სანამ საბოლოო ფორმულას დაწერთ.

შემდეგ შეამოწმეთ პასუხი მონაცემებთან. ხელახლა გამოთვალეთ თქვენ მიერ შემოთავაზებული ფორმულის პროცენტული შედგენილობა და შეადარეთ გაზომილ მნიშვნელობებს; კარგი მონაცემები ჩვეულებრივ რამდენიმე მეათედი პროცენტის ფარგლებში ემთხვევა. მაგალითში 2, C₄H₆O₄ გვაძლევს 40.68% C, 5.13% H და 54.19% O, რაც ანალიზს ემთხვევა.

• 1.5-ის ან 1.33-ის შეფარდების უახლოეს მთელ რიცხვამდე დამრგვალება ყველაფრის გამრავლების ნაცვლად.
• მოლის მნიშვნელობების ერთ ან ორ მნიშვნელოვან ციფრამდე დამრგვალება, რამაც შეიძლება მკაფიო 1.50 ორაზროვან მნიშვნელობად აქციოს.
• ჟანგბადის მასის 32.00 g/mol-ზე გაყოფა. გამოიყენეთ O-ს ატომური მასა, 16.00, რადგან ინდექსები ატომებს ითვლის.
• წვის პროდუქტებში ჟანგბადის ნიმუშისთვის მიკუთვნება. ნიმუშის ჟანგბადი იპოვეთ სხვაობით.
• დაკარგული ელემენტის უგულებელყოფა. თუ მითითებული პროცენტების ჯამი 100%-ზე ბევრად ნაკლებია, არის სხვა ელემენტი, ხშირად ჟანგბადი.
• არამთელი მოლეკულური ჯერადის მიღება. თუ მოლური მასა ÷ ემპირიული ფორმულის მასა მთელ რიცხვთან ახლოს არ არის, ხელახლა შეამოწმეთ ემპირიული ფორმულა.