Empirinės ir molekulinės formulės pagal duomenis

Paprasčiausias santykis ir tikroji sudėtis

Empirinė formulė nurodo mažiausią sveikųjų skaičių atomų santykį junginyje. Molekulinė formulė nurodo tikrąjį kiekvienos rūšies atomų skaičių vienoje molekulėje, ir ji visada yra sveikasis empirinės formulės kartotinis. Vandenilio peroksido molekulinė formulė yra H₂O₂, o empirinė – HO. Gliukozės, C₆H₁₂O₆, empirinė formulė yra CH₂O; tokią pat turi formaldehidas ir acto rūgštis.

Vien tik masės duomenys gali atskleisti tik empirinę formulę, nes H₂O₂ ir HO procentinė sudėtis tokia pati. Kartotiniui rasti reikia atskiro molinės masės matavimo. Joniniams junginiams, pavyzdžiui, natrio chloridui, kurie sudaro plačias kristalines gardeles, o ne atskiras molekules, formulinis vienetas paprastai pagal susitarimą užrašomas kaip empirinė formulė. Išimtys išsaugo daugiaatomį joną nepakeistą, kaip natrio peroksido, Na₂O₂, kuriame yra peroksido jonas O₂²⁻.

Procentinė sudėtis pagal žinomą formulę

Elemento masės procentas yra to elemento masė viename junginio mole, padalyta iš molinės masės ir padauginta iš 100. Šiame vadove naudojamos IUPAC standartinės atominės masės, suapvalintos iki dviejų skaitmenų po kablelio: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 ir Fe 55.85.

1 pavyzdys. Amonio sulfatas, (NH₄)₂SO₄, naudojamas kaip azoto trąša. Kokia jo azoto masės dalis procentais? Viename formuliniame vienete yra 2 N, 8 H, 1 S ir 4 O, todėl molinė masė yra 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Azotas: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Kiti elementai sudaro 6.11% H, 24.26% S ir 48.43% O, o visos keturios vertės sudaro 100.00%, tai naudingas patikrinimas, kad nė vienas atomas nepraleistas.

Masių pavertimas sveikųjų skaičių molių santykiu

Indeksai skaičiuoja atomus, o atomai skaičiuojami moliais, todėl metodas visada eina per molius. Skirtingų elementų gramų tiesiogiai palyginti negalima, nes jų atomai turi skirtingas mases.

Žingsniui nuo dešimtainės dalies prie trupmenos reikia nuovokos. Eksperimentiniai santykiai retai būna tikslūs, todėl vertę, nuo sveikojo skaičiaus nesiskiriančią daugiau nei maždaug 0.1, paprastai galima suapvalinti, o vertė, artima 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 ar 1.75, rodo trupmeną. Visus santykius padauginkite iš 2, 3 ar 4, kaip tinka. Pavyzdžiui, geležies oksido mėginys, kuriame yra 1.737 g Fe ir 0.747 g O, duoda 0.03110 mol Fe ir 0.0467 mol O. Santykis O:Fe yra 1.50, todėl padvigubinus gaunama Fe₂O₃.

• Pradėkite nuo masių. Jei turite procentus, tarkite, kad mėginys sveria 100 g, todėl kiekvienas procentas virsta gramais.
• Kiekvieną masę paverskite moliais naudodami to elemento atominę masę.
• Kiekvieną molių vertę padalykite iš mažiausios.
• Jei koks nors santykis nėra artimas sveikajam skaičiui, visus santykius padauginkite iš mažiausio sveikojo skaičiaus, dėl kurio jie tampa sveikaisiais.
• Užrašykite indeksus įprasta tvarka (organiniams junginiams pirmiausia C, tada H, tada likusieji abėcėlės tvarka).

Išspręstas pavyzdys: karboksirūgštis pagal procentinę sudėtį

2 pavyzdys. Baltos kristalinės rūgšties analizė pagal masę duoda 40.68% C, 5.13% H ir 54.19% O. Atskiras matavimas nustato jos molinę masę 118 g/mol. Raskite empirinę ir molekulinę formules.

Tarkite, kad mėginio masė 100 g, taigi jame yra 40.68 g C, 5.13 g H ir 54.19 g O. Paverskite moliais: 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. Padalykite iš mažiausios vertės, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Vandenilio santykis 1.500 yra pusė, o ne apvalinimo klaida, todėl visus santykius padauginkite iš 2: C₂H₃O₂. Jos formulinė masė yra 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Kartotinis yra 118 ÷ 59.05 = 2.00, taigi molekulinė formulė yra C₄H₆O₄. Tai gintaro rūgšties formulė. Suapvalinus 1.5 iki 2, būtų gauta CH₂O (30.03 g/mol), o 118 ÷ 30.03 = 3.93 nėra sveikasis skaičius, o tai rodo, kad empirinė formulė neteisinga.

Išspręstas pavyzdys: organinio skysčio degimo analizė

3 pavyzdys. 0.3150 g skysčio, kuriame yra tik C, H ir O, mėginys visiškai sudegintas deguonies pertekliuje. Susidaro 0.6293 g CO₂ ir 0.2577 g H₂O. Garų molinė masė yra maždaug 88 g/mol. Raskite abi formules.

Visa anglis patenka į CO₂, o visas vandenilis – į H₂O. C masė = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. H masė = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Deguonies taip atsekti negalima, nes didelė dalis produktuose esančio deguonies atkeliavo iš O₂ tiekimo, todėl jį raskite iš skirtumo: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Moliai: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Padalijus iš 0.0071488 gaunama 2.000 : 4.001 : 1, todėl empirinė formulė yra C₂H₄O, o formulinė masė – 44.06 g/mol. Kartotinis yra 88 ÷ 44.06 = 2.0, taigi gaunama C₄H₈O₂. Šią molekulinę formulę turi keli skirtingi junginiai, įskaitant etilacetatą ir butano rūgštį, todėl medžiagai nustatyti reikėtų struktūrinių įrodymų, pavyzdžiui, spektroskopijos.

Kur klystama skaičiuojant empirines formules

Dauguma klaidų atsiranda dviejose vietose: renkantis, ką paversti moliais, ir sprendžiant, kaip elgtis su santykiu, kuris nėra sveikasis skaičius. Prieš rašydami galutinę formulę patikrinkite abu.

Tada patikrinkite atsakymą pagal duomenis. Iš naujo apskaičiuokite siūlomos formulės procentinę sudėtį ir palyginkite ją su išmatuotomis vertėmis; geri duomenys paprastai sutampa kelių dešimtųjų procento tikslumu. 2 pavyzdyje C₄H₆O₄ duoda 40.68% C, 5.13% H ir 54.19% O, o tai sutampa su analize.

• Santykio 1.5 ar 1.33 apvalinimas iki artimiausio sveikojo skaičiaus vietoj dauginimo per visus narius.
• Molių verčių apvalinimas iki vieno ar dviejų reikšminių skaitmenų, dėl ko aiškus 1.50 gali tapti dviprasmiškas.
• Deguonies masės dalijimas iš 32.00 g/mol. Naudokite O atominę masę, 16.00, nes indeksai skaičiuoja atomus.
• Deguonies degimo produktuose priskyrimas mėginiui. Mėginio deguonį raskite iš skirtumo.
• Trūkstamo elemento ignoravimas. Jei nurodyti procentai sudaro gerokai mažiau nei 100%, yra kito elemento, dažnai deguonies.
• Nesveikojo molekulinio kartotinio priėmimas. Jei molinė masė ÷ empirinės formulės masė nėra artima sveikajam skaičiui, dar kartą patikrinkite empirinę formulę.