Formule empirice și moleculare pornind de la date

Cel mai simplu raport față de compoziția reală

O formulă empirică dă cel mai mic raport de numere întregi dintre atomii dintr-un compus. O formulă moleculară dă numărul real de atomi de fiecare fel dintr-o moleculă și este întotdeauna un multiplu întreg al formulei empirice. Peroxidul de hidrogen are formula moleculară H₂O₂ și formula empirică HO. Glucoza, C₆H₁₂O₆, are formula empirică CH₂O, pe care o împarte cu formaldehida și cu acidul acetic.

Datele de masă singure pot dezvălui doar formula empirică, deoarece H₂O₂ și HO au compoziții procentuale identice. Este nevoie de o măsurare separată a masei molare pentru a afla multiplul. Pentru compușii ionici precum clorura de sodiu, care formează rețele întinse și nu molecule distincte, unitatea de formulă se scrie de obicei, prin convenție, ca formulă empirică. Excepțiile păstrează intact un ion poliatomic, ca în peroxidul de sodiu, Na₂O₂, care conține ionul peroxid O₂²⁻.

Compoziția procentuală dintr-o formulă cunoscută

Procentul de masă al unui element este masa acelui element dintr-un mol de compus împărțită la masa molară, înmulțită cu 100. Acest ghid folosește masele atomice standard IUPAC rotunjite la două zecimale: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 și Fe 55.85.

Exemplu rezolvat 1. Sulfatul de amoniu, (NH₄)₂SO₄, se folosește ca îngrășământ cu azot. Care este procentul de masă al azotului? O unitate de formulă conține 2 N, 8 H, 1 S și 4 O, deci masa molară este 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Azot: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Celelalte elemente rezultă 6.11% H, 24.26% S și 48.43% O, iar cele patru valori însumează 100.00%, o verificare utilă că niciun atom nu a fost omis.

Transformarea maselor într-un raport molar de numere întregi

Indicii numără atomi, iar atomii se numără în moli, deci metoda trece întotdeauna prin moli. Gramele unor elemente diferite nu pot fi comparate direct, deoarece atomii lor au mase diferite.

Pasul de la zecimale la fracții necesită discernământ. Rapoartele experimentale sunt rareori exacte, așa că o valoare aflată la cel mult aproximativ 0.1 de un număr întreg poate fi de obicei rotunjită, dar o valoare apropiată de 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 sau 1.75 indică o fracție. Înmulțește toate rapoartele cu 2, 3 sau 4, după caz. De exemplu, o probă de oxid de fier cu 1.737 g Fe și 0.747 g O dă 0.03110 mol Fe și 0.0467 mol O. Raportul O:Fe este 1.50, deci dublarea dă Fe₂O₃.

• Pornește de la mase. Dacă ai procente, presupune o probă de 100 g, astfel încât fiecare procent devine grame.
• Convertește fiecare masă în moli folosind masa atomică a elementului respectiv.
• Împarte toate valorile în moli la cea mai mică dintre ele.
• Dacă vreun raport nu este apropiat de un număr întreg, înmulțește toate rapoartele cu cel mai mic număr întreg care le face întregi.
• Scrie indicii în ordinea convențională (pentru compușii organici, mai întâi C, apoi H, apoi restul în ordine alfabetică).

Exemplu rezolvat: un acid carboxilic din compoziția procentuală

Exemplu rezolvat 2. Analiza unui acid cristalin alb dă 40.68% C, 5.13% H și 54.19% O în masă. O măsurare separată stabilește masa lui molară la 118 g/mol. Găsește formulele empirică și moleculară.

Presupune 100 g, deci proba are 40.68 g C, 5.13 g H și 54.19 g O. Convertește în moli: 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. Împarte la cea mai mică valoare, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Raportul 1.500 pentru hidrogen este o jumătate, nu o eroare de rotunjire, deci înmulțește toate rapoartele cu 2: C₂H₃O₂. Masa formulei este 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Multiplul este 118 ÷ 59.05 = 2.00, deci formula moleculară este C₄H₆O₄. Aceasta este formula acidului succinic. Rotunjirea lui 1.5 la 2 ar fi dat CH₂O (30.03 g/mol), iar 118 ÷ 30.03 = 3.93 nu este un număr întreg, semn că formula empirică este greșită.

Exemplu rezolvat: analiza prin ardere a unui lichid organic

Exemplu rezolvat 3. O probă de 0.3150 g dintr-un lichid care conține doar C, H și O este arsă complet în exces de oxigen. Rezultă 0.6293 g CO₂ și 0.2577 g H₂O. Vaporii au masa molară de aproximativ 88 g/mol. Găsește ambele formule.

Tot carbonul ajunge în CO₂ și tot hidrogenul în H₂O. Masa de C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Masa de H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Oxigenul nu poate fi urmărit în același fel, deoarece o mare parte din oxigenul din produși provine din aportul de O₂, așa că îl găsești prin diferență: 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. Împărțirea la 0.0071488 dă 2.000 : 4.001 : 1, deci formula empirică este C₂H₄O, cu masa formulei de 44.06 g/mol. Multiplul este 88 ÷ 44.06 = 2.0, ceea ce dă C₄H₈O₂. Mai mulți compuși diferiți au această formulă moleculară, printre care acetatul de etil și acidul butanoic, deci identificarea substanței ar necesita dovezi structurale, cum ar fi spectroscopia.

Unde greșesc calculele formulei empirice

Cele mai multe erori apar în două momente: la alegerea a ceea ce se convertește în moli și la decizia privind modul de tratare a unui raport care nu este număr întreg. Verifică ambele înainte de a scrie formula finală.

Apoi testează răspunsul în raport cu datele. Recalculează compoziția procentuală a formulei propuse și compar-o cu valorile măsurate; datele bune se potrivesc de obicei în limita a câteva zecimi de procent. În exemplul rezolvat 2, C₄H₆O₄ dă 40.68% C, 5.13% H și 54.19% O, potrivindu-se cu analiza.

• Rotunjirea unui raport de 1.5 sau 1.33 la cel mai apropiat număr întreg, în loc de înmulțirea tuturor rapoartelor.
• Rotunjirea valorilor în moli la una sau două cifre semnificative, ceea ce poate transforma un clar 1.50 în ceva ambiguu.
• Împărțirea unei mase de oxigen la 32.00 g/mol. Folosește masa atomică a lui O, 16.00, deoarece indicii numără atomi.
• Atribuirea probei a oxigenului din produșii de ardere. Află oxigenul probei prin diferență.
• Ignorarea unui element lipsă. Dacă procentele indicate însumează mult sub 100%, este prezent un alt element, adesea oxigenul.
• Acceptarea unui multiplu molecular care nu este număr întreg. Dacă masa molară ÷ masa formulei empirice nu este apropiată de un număr întreg, reverifică formula empirică.