Formula Empirik dan Formula Molekul daripada Data

Nisbah teringkas berbanding komposisi sebenar

Formula empirik memberikan nisbah nombor bulat terkecil bagi atom dalam sesuatu sebatian. Formula molekul memberikan bilangan sebenar setiap jenis atom dalam satu molekul, dan ia sentiasa gandaan nombor bulat bagi formula empirik. Hidrogen peroksida mempunyai formula molekul H₂O₂ dan formula empirik HO. Glukosa, C₆H₁₂O₆, mempunyai formula empirik CH₂O, yang dikongsinya dengan formaldehid dan asid asetik.

Data jisim sahaja hanya dapat mendedahkan formula empirik, kerana H₂O₂ dan HO mempunyai komposisi peratusan yang serupa. Ukuran jisim molar yang berasingan diperlukan untuk mencari gandaannya. Bagi sebatian ion seperti natrium klorida, yang membentuk kekisi lanjut dan bukannya molekul diskret, unit formula lazimnya ditulis sebagai formula empirik mengikut konvensyen. Pengecualiannya mengekalkan ion poliatom secara utuh, seperti dalam natrium peroksida, Na₂O₂, yang mengandungi ion peroksida O₂²⁻.

Komposisi peratusan daripada formula yang diketahui

Peratus jisim suatu unsur ialah jisim unsur itu dalam satu mol sebatian dibahagi dengan jisim molar, kali 100. Panduan ini menggunakan berat atom piawai IUPAC yang dibundarkan kepada dua tempat perpuluhan: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 dan Fe 55.85.

Contoh penyelesaian 1. Ammonium sulfat, (NH₄)₂SO₄, digunakan sebagai baja nitrogen. Berapakah peratus jisim nitrogennya? Satu unit formula mengandungi 2 N, 8 H, 1 S dan 4 O, jadi jisim molarnya ialah 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Nitrogen: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Unsur-unsur lain masing-masing ialah 6.11% H, 24.26% S dan 48.43% O, dan keempat-empat nilai berjumlah 100.00%, semakan yang berguna bahawa tiada atom yang tertinggal.

Menukar jisim kepada nisbah mol nombor bulat

Subskrip membilang atom, dan atom dibilang dalam mol, jadi kaedah ini sentiasa melalui mol. Gram unsur yang berbeza tidak boleh dibandingkan secara langsung kerana atomnya mempunyai jisim yang berbeza.

Langkah perpuluhan kepada pecahan memerlukan pertimbangan. Nisbah eksperimen jarang tepat, jadi nilai dalam lingkungan kira-kira 0.1 daripada nombor bulat biasanya boleh dibundarkan, tetapi nilai yang hampir 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 atau 1.75 menandakan pecahan. Darabkan setiap nisbah dengan 2, 3 atau 4 mengikut kesesuaian. Contohnya, sampel ferum oksida yang mengandungi 1.737 g Fe dan 0.747 g O memberikan 0.03110 mol Fe dan 0.0467 mol O. Nisbah O:Fe ialah 1.50, jadi menggandakannya memberikan Fe₂O₃.

• Mulakan daripada jisim. Jika anda mempunyai peratusan, andaikan sampel 100 g supaya setiap peratusan menjadi gram.
• Tukar setiap jisim kepada mol menggunakan berat atom unsur itu.
• Bahagikan setiap nilai mol dengan yang terkecil.
• Jika mana-mana nisbah tidak hampir dengan nombor bulat, darabkan semua nisbah dengan integer terkecil yang menjadikannya bulat.
• Tulis subskrip dalam susunan konvensional (bagi sebatian organik, C dahulu, kemudian H, kemudian yang lain mengikut abjad).

Contoh penyelesaian: asid karboksilik daripada komposisi peratusan

Contoh penyelesaian 2. Analisis suatu asid hablur putih memberikan 40.68% C, 5.13% H dan 54.19% O mengikut jisim. Ukuran berasingan meletakkan jisim molarnya pada 118 g/mol. Cari formula empirik dan formula molekulnya.

Andaikan 100 g, jadi sampel itu mengandungi 40.68 g C, 5.13 g H dan 54.19 g O. Tukar kepada mol: 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. Bahagikan dengan nilai terkecil, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Nisbah hidrogen 1.500 ialah setengah, bukan ralat pembundaran, jadi darabkan setiap nisbah dengan 2: C₂H₃O₂. Jisim formulanya ialah 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Gandaannya ialah 118 ÷ 59.05 = 2.00, jadi formula molekulnya ialah C₄H₆O₄. Ini ialah formula asid suksinik. Membundarkan 1.5 ke 2 akan memberikan CH₂O (30.03 g/mol), dan 118 ÷ 30.03 = 3.93 bukan nombor bulat, tanda bahawa formula empirik itu salah.

Contoh penyelesaian: analisis pembakaran cecair organik

Contoh penyelesaian 3. Satu sampel 0.3150 g cecair yang hanya mengandungi C, H dan O dibakar sepenuhnya dalam oksigen berlebihan. Ia menghasilkan 0.6293 g CO₂ dan 0.2577 g H₂O. Wap itu mempunyai jisim molar kira-kira 88 g/mol. Cari kedua-dua formula.

Semua karbon berakhir dalam CO₂ dan semua hidrogen dalam H₂O. Jisim C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Jisim H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Oksigen tidak dapat dijejak dengan cara yang sama, kerana banyak oksigen dalam hasil datang daripada bekalan O₂, jadi cari melalui beza: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Mol: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Pembahagian dengan 0.0071488 memberikan 2.000 : 4.001 : 1, jadi formula empiriknya ialah C₂H₄O, dengan jisim formula 44.06 g/mol. Gandaannya ialah 88 ÷ 44.06 = 2.0, memberikan C₄H₈O₂. Beberapa sebatian berbeza berkongsi formula molekul ini, termasuk etil asetat dan asid butanoik, jadi mengenal pasti bahan itu memerlukan bukti struktur seperti spektroskopi.

Di mana pengiraan formula empirik silap

Kebanyakan kesilapan berlaku pada dua titik: memilih apa yang hendak ditukar kepada mol, dan memutuskan cara menangani nisbah yang bukan nombor bulat. Semak kedua-duanya sebelum anda menulis formula akhir.

Kemudian uji jawapan terhadap data. Kira semula komposisi peratusan bagi formula yang anda cadangkan dan bandingkan dengan nilai yang diukur; data yang baik biasanya sepadan dalam lingkungan beberapa persepuluh peratus. Dalam contoh penyelesaian 2, C₄H₆O₄ memberikan 40.68% C, 5.13% H dan 54.19% O, sepadan dengan analisis.

• Membundarkan nisbah 1.5 atau 1.33 kepada integer terdekat dan bukannya mendarab keseluruhannya.
• Membundarkan nilai mol kepada satu atau dua angka bererti, yang boleh menjadikan 1.50 yang jelas sesuatu yang taksa.
• Membahagikan jisim oksigen dengan 32.00 g/mol. Gunakan berat atom O, 16.00, kerana subskrip membilang atom.
• Menetapkan oksigen dalam hasil pembakaran kepada sampel. Cari oksigen sampel melalui beza.
• Mengabaikan unsur yang hilang. Jika peratusan yang dinyatakan berjumlah jauh di bawah 100%, unsur lain, selalunya oksigen, hadir.
• Menerima gandaan molekul yang bukan integer. Jika jisim molar ÷ jisim formula empirik tidak hampir dengan nombor bulat, semak semula formula empirik.