Empīriskās un molekulārās formulas pēc datiem

Vienkāršākā attiecība pret faktisko sastāvu

Empīriskā formula norāda mazāko veselu skaitļu atomu attiecību savienojumā. Molekulārā formula norāda faktisko katra veida atomu skaitu vienā molekulā, un tā vienmēr ir empīriskās formulas veselu skaitļu daudzkārtnis. Ūdeņraža peroksīda molekulārā formula ir H₂O₂, bet empīriskā formula ir HO. Glikozei C₆H₁₂O₆ empīriskā formula ir CH₂O, kas ir tāda pati kā formaldehīdam un etiķskābei.

Tikai ar masas datiem var noskaidrot vienīgi empīrisko formulu, jo H₂O₂ un HO procentuālais sastāvs ir identisks. Daudzkārtņa atrašanai nepieciešams atsevišķs molārās masas mērījums. Jonu savienojumiem, piemēram, nātrija hlorīdam, kas veido plašus režģus, nevis atsevišķas molekulas, formulvienību pēc vienošanās parasti raksta kā empīrisko formulu. Izņēmumi saglabā poliatomisku jonu neskartu, kā nātrija peroksīdā Na₂O₂, kas satur peroksīda jonu O₂²⁻.

Procentuālais sastāvs pēc zināmas formulas

Elementa masas procents ir šī elementa masa vienā molā savienojuma, dalīta ar molāro masu un reizināta ar 100. Šajā ceļvedī izmantoti IUPAC standarta atomsvari, noapaļoti līdz divām decimālzīmēm: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 un Fe 55.85.

Risinātais piemērs 1. Amonija sulfātu (NH₄)₂SO₄ izmanto kā slāpekļa mēslojumu. Kāds ir tā slāpekļa masas procents? Vienā formulvienībā ir 2 N, 8 H, 1 S un 4 O, tāpēc molārā masa ir 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Slāpeklis: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Pārējie elementi sastāda 6.11% H, 24.26% S un 48.43% O, un šo četru vērtību summa ir 100.00%, kas ir noderīga pārbaude, ka neviens atoms nav izlaists.

Masu pārvēršana veselu skaitļu molu attiecībā

Apakšindeksi skaita atomus, un atomus skaita molos, tāpēc metode vienmēr iet caur moliem. Dažādu elementu gramus nevar salīdzināt tieši, jo to atomiem ir dažādas masas.

Solim no decimāldaļskaitļa uz daļu nepieciešama sprieduma spēja. Eksperimentālās attiecības reti ir precīzas, tāpēc vērtību, kas atrodas aptuveni 0.1 attālumā no veselā skaitļa, parasti var noapaļot, bet vērtība tuvu 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 vai 1.75 norāda uz daļu. Reiziniet visas attiecības ar 2, 3 vai 4, kā nepieciešams. Piemēram, dzelzs oksīda paraugs, kas satur 1.737 g Fe un 0.747 g O, dod 0.03110 mol Fe un 0.0467 mol O. Attiecība O:Fe ir 1.50, tāpēc dubultojot iegūst Fe₂O₃.

• Sāciet ar masām. Ja jums ir procenti, pieņemiet 100 g paraugu, lai katrs procents kļūtu par gramiem.
• Pārrēķiniet katru masu molos, izmantojot šī elementa atomsvaru.
• Daliet visas molu vērtības ar mazāko no tām.
• Ja kāda attiecība nav tuva veselam skaitlim, reiziniet visas attiecības ar mazāko veselo skaitli, kas tās padara veselas.
• Rakstiet apakšindeksus pieņemtajā secībā (organiskajiem savienojumiem vispirms C, tad H, tad pārējie alfabētiskā secībā).

Risināts piemērs: karbonskābe pēc procentuālā sastāva

Risinātais piemērs 2. Baltas kristāliskas skābes analīze dod 40.68% C, 5.13% H un 54.19% O pēc masas. Atsevišķs mērījums nosaka tās molāro masu 118 g/mol. Atrodiet empīrisko un molekulāro formulu.

Pieņemiet 100 g, tātad paraugā ir 40.68 g C, 5.13 g H un 54.19 g O. Pārrēķiniet molos: 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. Daliet ar mazāko vērtību 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Ūdeņraža attiecība 1.500 ir puse, nevis noapaļošanas kļūda, tāpēc reiziniet visas attiecības ar 2: C₂H₃O₂. Tās formulmasa ir 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Daudzkārtnis ir 118 ÷ 59.05 = 2.00, tāpēc molekulārā formula ir C₄H₆O₄. Šī ir dzintarskābes formula. Noapaļojot 1.5 uz 2, būtu iegūts CH₂O (30.03 g/mol), un 118 ÷ 30.03 = 3.93 nav vesels skaitlis, kas liecina, ka empīriskā formula ir nepareiza.

Risināts piemērs: organiska šķidruma sadegšanas analīze

Risinātais piemērs 3. Šķidruma paraugs ar masu 0.3150 g, kas satur tikai C, H un O, tiek pilnībā sadedzināts skābekļa pārpalikumā. Tas rada 0.6293 g CO₂ un 0.2577 g H₂O. Tvaiku molārā masa ir aptuveni 88 g/mol. Atrodiet abas formulas.

Viss ogleklis nonāk CO₂, un viss ūdeņradis nonāk H₂O. C masa = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. H masa = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Skābekli nevar izsekot tādā pašā veidā, jo liela daļa skābekļa produktos nāk no O₂ piegādes, tāpēc to atrod pēc starpības: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Moli: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Dalot ar 0.0071488, iegūst 2.000 : 4.001 : 1, tāpēc empīriskā formula ir C₂H₄O ar formulmasu 44.06 g/mol. Daudzkārtnis ir 88 ÷ 44.06 = 2.0, kas dod C₄H₈O₂. Šādu molekulāro formulu ir vairākiem dažādiem savienojumiem, tostarp etilacetātam un butānskābei, tāpēc vielas identificēšanai būtu vajadzīgi strukturāli pierādījumi, piemēram, spektroskopija.

Kur empīriskās formulas aprēķinos rodas kļūdas

Lielākā daļa kļūdu rodas divos punktos: izvēloties, ko pārrēķināt molos, un izlemjot, kā rīkoties ar attiecību, kas nav vesels skaitlis. Pārbaudiet abus, pirms rakstāt galīgo formulu.

Pēc tam pārbaudiet atbildi pret datiem. Pārrēķiniet piedāvātās formulas procentuālo sastāvu un salīdziniet to ar izmērītajām vērtībām; labi dati parasti sakrīt ar precizitāti līdz dažām desmitdaļām procenta. 2. risinātajā piemērā C₄H₆O₄ dod 40.68% C, 5.13% H un 54.19% O, kas atbilst analīzei.

• Attiecības 1.5 vai 1.33 noapaļošana līdz tuvākajam veselajam skaitlim, nevis visu attiecību reizināšana.
• Molu vērtību noapaļošana līdz vienam vai diviem nozīmīgajiem cipariem, kas skaidru 1.50 var pārvērst neskaidrā vērtībā.
• Skābekļa masas dalīšana ar 32.00 g/mol. Izmantojiet O atomsvaru 16.00, jo apakšindeksi skaita atomus.
• Skābekļa sadegšanas produktos piedēvēšana paraugam. Parauga skābekli atrodiet pēc starpības.
• Trūkstoša elementa ignorēšana. Ja norādītie procenti summā ir ievērojami mazāki par 100%, ir klāt cits elements, bieži skābeklis.
• Daļskaitļa molekulārā daudzkārtņa pieņemšana. Ja molārā masa ÷ empīriskās formulas masa nav tuva veselam skaitlim, pārbaudiet empīrisko formulu vēlreiz.