Empirische formules en molecuulformules uit meetgegevens

Eenvoudigste verhouding versus werkelijke samenstelling

Een empirische formule geeft de kleinste verhouding van atomen in gehele getallen in een verbinding. Een molecuulformule geeft het werkelijke aantal atomen van elke soort in één molecuul, en is altijd een geheel veelvoud van de empirische formule. Waterstofperoxide heeft de molecuulformule H₂O₂ en de empirische formule HO. Glucose, C₆H₁₂O₆, heeft de empirische formule CH₂O, die het deelt met formaldehyde en azijnzuur.

Massagegevens alleen kunnen alleen de empirische formule onthullen, omdat H₂O₂ en HO dezelfde massasamenstelling in procenten hebben. Om het veelvoud te vinden is een aparte meting van de molaire massa nodig. Bij ionaire verbindingen zoals natriumchloride, die uitgebreide roosters vormen in plaats van afzonderlijke moleculen, wordt de formule-eenheid volgens afspraak meestal als empirische formule geschreven. De uitzonderingen houden een meeratomig ion intact, zoals bij natriumperoxide, Na₂O₂, dat het peroxide-ion O₂²⁻ bevat.

Massapercentage uit een bekende formule

Het massapercentage van een element is de massa van dat element in één mol van de verbinding gedeeld door de molaire massa, maal 100. Deze gids gebruikt de standaard atoomgewichten van IUPAC, afgerond op twee decimalen: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 en Fe 55.85.

Uitgewerkt voorbeeld 1. Ammoniumsulfaat, (NH₄)₂SO₄, wordt gebruikt als stikstofmeststof. Wat is het massapercentage stikstof? Eén formule-eenheid bevat 2 N, 8 H, 1 S en 4 O, dus de molaire massa is 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Stikstof: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. De andere elementen komen uit op 6.11% H, 24.26% S en 48.43% O, en de vier waarden sommeren tot 100.00%, een handige controle dat er geen atomen zijn gemist.

Massa's omzetten in een molverhouding in gehele getallen

Indices tellen atomen, en atomen worden geteld in mol, dus de methode loopt altijd via mol. Gram van verschillende elementen kun je niet rechtstreeks vergelijken, omdat hun atomen verschillende massa's hebben.

De stap van decimaal naar breuk vraagt om beoordelingsvermogen. Experimentele verhoudingen zijn zelden exact, dus een waarde binnen ongeveer 0.1 van een geheel getal kun je meestal afronden, maar een waarde in de buurt van 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 of 1.75 wijst op een breuk. Vermenigvuldig dan alle verhoudingen met 2, 3 of 4, al naargelang. Een monster ijzeroxide met 1.737 g Fe en 0.747 g O geeft bijvoorbeeld 0.03110 mol Fe en 0.0467 mol O. De verhouding O:Fe is 1.50, dus verdubbelen geeft Fe₂O₃.

• Begin met massa's. Als je percentages hebt, ga dan uit van een monster van 100 g, zodat elk percentage gram wordt.
• Reken elke massa om naar mol met het atoomgewicht van dat element.
• Deel elke molwaarde door de kleinste.
• Als een verhouding niet dicht bij een geheel getal ligt, vermenigvuldig dan alle verhoudingen met het kleinste gehele getal dat ze geheel maakt.
• Schrijf de indices in de gebruikelijke volgorde (bij organische verbindingen eerst C, dan H, daarna de rest alfabetisch).

Uitgewerkt voorbeeld: een carbonzuur uit de massasamenstelling

Uitgewerkt voorbeeld 2. Analyse van een wit kristallijn zuur geeft 40.68% C, 5.13% H en 54.19% O, naar massa. Een aparte meting bepaalt de molaire massa op 118 g/mol. Bepaal de empirische formule en de molecuulformule.

Ga uit van 100 g, dus het monster heeft 40.68 g C, 5.13 g H en 54.19 g O. Reken om naar 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. Deel door de kleinste waarde, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

De waterstofverhouding van 1.500 is een half, geen afrondingsfout, dus vermenigvuldig elke verhouding met 2: C₂H₃O₂. De formulemassa is 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Het veelvoud is 118 ÷ 59.05 = 2.00, dus de molecuulformule is C₄H₆O₄. Dit is de formule van barnsteenzuur. Als je 1.5 had afgerond naar 2, had je CH₂O (30.03 g/mol) gekregen, en 118 ÷ 30.03 = 3.93 is geen geheel getal, een teken dat de empirische formule niet klopt.

Uitgewerkt voorbeeld: verbrandingsanalyse van een organische vloeistof

Uitgewerkt voorbeeld 3. Een monster van 0.3150 g van een vloeistof die alleen C, H en O bevat, wordt volledig verbrand in een overmaat zuurstof. Het levert 0.6293 g CO₂ en 0.2577 g H₂O op. De damp heeft een molaire massa van ongeveer 88 g/mol. Bepaal beide formules.

Alle koolstof komt in CO₂ terecht en alle waterstof in H₂O. Massa van C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Massa van H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Zuurstof kun je niet op dezelfde manier herleiden, omdat veel van de zuurstof in de producten uit de O₂-toevoer kwam. Bepaal die dus via het verschil: 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. Delen door 0.0071488 geeft 2.000 : 4.001 : 1, dus de empirische formule is C₂H₄O, met een formulemassa van 44.06 g/mol. Het veelvoud is 88 ÷ 44.06 = 2.0, wat C₄H₈O₂ geeft. Meerdere verschillende verbindingen delen deze molecuulformule, waaronder ethylacetaat en boterzuur, dus om de stof te identificeren is structureel bewijs nodig, zoals spectroscopie.

Waar berekeningen van empirische formules misgaan

De meeste fouten ontstaan op twee punten: bij het kiezen wat je naar mol omrekent en bij het beslissen hoe je een verhouding behandelt die geen geheel getal is. Controleer beide voordat je de uiteindelijke formule opschrijft.

Toets het antwoord daarna aan de gegevens. Bereken de massasamenstelling in procenten van de voorgestelde formule opnieuw en vergelijk die met de gemeten waarden; goede gegevens komen meestal binnen enkele tienden van een procent overeen. In uitgewerkt voorbeeld 2 geeft C₄H₆O₄ 40.68% C, 5.13% H en 54.19% O, wat overeenkomt met de analyse.

• Een verhouding van 1.5 of 1.33 afronden op het dichtstbijzijnde gehele getal in plaats van door te vermenigvuldigen.
• De molwaarden afronden op een of twee significante cijfers, waardoor een duidelijke 1.50 dubbelzinnig kan worden.
• Een massa zuurstof delen door 32.00 g/mol. Gebruik het atoomgewicht van O, 16.00, omdat indices atomen tellen.
• Zuurstof in verbrandingsproducten toeschrijven aan het monster. Bepaal de zuurstof van het monster via het verschil.
• Een ontbrekend element negeren. Als de opgegeven percentages ruim onder 100% optellen, is er een ander element aanwezig, vaak zuurstof.
• Een veelvoud van de molecuulformule accepteren dat geen geheel getal is. Als de molaire massa ÷ de massa van de empirische formule niet dicht bij een geheel getal ligt, controleer de empirische formule dan opnieuw.