Empirické a molekulové vzorce z údajov

Najjednoduchší pomer verzus skutočné zloženie

Empirický vzorec udáva najmenší celočíselný pomer atómov v zlúčenine. Molekulový vzorec udáva skutočný počet atómov každého druhu v jednej molekule a je vždy celočíselným násobkom empirického vzorca. Peroxid vodíka má molekulový vzorec H₂O₂ a empirický vzorec HO. Glukóza, C₆H₁₂O₆, má empirický vzorec CH₂O, ktorý zdieľa s formaldehydom a kyselinou octovou.

Samotné hmotnostné údaje môžu odhaliť iba empirický vzorec, pretože H₂O₂ a HO majú identické percentuálne zloženie. Na nájdenie násobku je potrebné samostatné meranie molárnej hmotnosti. Pri iónových zlúčeninách, ako je chlorid sodný, ktoré tvoria rozsiahle mriežky a nie samostatné molekuly, sa vzorcová jednotka podľa konvencie zvyčajne zapisuje ako empirický vzorec. Výnimky ponechávajú viacatómový ión neporušený, ako pri peroxide sodnom, Na₂O₂, ktorý obsahuje peroxidový ión O₂²⁻.

Percentuálne zloženie zo známeho vzorca

Hmotnostné percento prvku je hmotnosť tohto prvku v jednom móle zlúčeniny delená molárnou hmotnosťou, krát 100. Táto príručka používa štandardné atómové hmotnosti IUPAC zaokrúhlené na dve desatinné miesta: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 a Fe 55.85.

Riešený príklad 1. Síran amónny, (NH₄)₂SO₄, sa používa ako dusíkaté hnojivo. Aké je jeho hmotnostné percento dusíka? Jedna vzorcová jednotka obsahuje 2 N, 8 H, 1 S a 4 O, takže molárna hmotnosť je 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Dusík: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20 % N. Ostatné prvky vychádzajú na 6.11 % H, 24.26 % S a 48.43 % O a súčet štyroch hodnôt je 100.00 %, čo je užitočná kontrola, že žiadne atómy neboli vynechané.

Premena hmotností na celočíselný pomer mólov

Indexy počítajú atómy a atómy sa počítajú v móloch, takže metóda vždy prechádza cez móly. Gramy rôznych prvkov sa nedajú priamo porovnávať, pretože ich atómy majú rôzne hmotnosti.

Krok od desatinného čísla k zlomku vyžaduje úsudok. Experimentálne pomery sú zriedka presné, takže hodnotu do približne 0.1 od celého čísla možno zvyčajne zaokrúhliť, ale hodnota blízka 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 alebo 1.75 signalizuje zlomok. Vynásobte všetky pomery podľa potreby číslom 2, 3 alebo 4. Napríklad vzorka oxidu železa obsahujúca 1.737 g Fe a 0.747 g O dáva 0.03110 mol Fe a 0.0467 mol O. Pomer O:Fe je 1.50, takže po zdvojnásobení dostaneme Fe₂O₃.

• Začnite od hmotností. Ak máte percentá, predpokladajte vzorku 100 g, aby sa každé percento zmenilo na gramy.
• Každú hmotnosť previeďte na móly pomocou atómovej hmotnosti daného prvku.
• Všetky hodnoty v móloch vydeľte tou najmenšou.
• Ak niektorý pomer nie je blízko celého čísla, vynásobte všetky pomery najmenším celým číslom, ktoré ich urobí celými.
• Indexy napíšte v zaužívanom poradí (pri organických zlúčeninách najprv C, potom H a zvyšok abecedne).

Riešený príklad: karboxylová kyselina z percentuálneho zloženia

Riešený príklad 2. Analýza bielej kryštalickej kyseliny dáva hmotnostne 40.68 % C, 5.13 % H a 54.19 % O. Samostatné meranie určuje jej molárnu hmotnosť na 118 g/mol. Nájdite empirický a molekulový vzorec.

Predpokladajte 100 g, takže vzorka má 40.68 g C, 5.13 g H a 54.19 g O. Previeďte na móly: 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. Vydeľte najmenšou hodnotou, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Pomer vodíka 1.500 je polovica, nie chyba zaokrúhľovania, preto vynásobte každý pomer dvoma: C₂H₃O₂. Jeho vzorcová hmotnosť je 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Násobok je 118 ÷ 59.05 = 2.00, takže molekulový vzorec je C₄H₆O₄. To je vzorec kyseliny jantárovej. Zaokrúhlenie 1.5 nahor na 2 by dalo CH₂O (30.03 g/mol) a 118 ÷ 30.03 = 3.93 nie je celé číslo, čo signalizuje, že empirický vzorec je nesprávny.

Riešený príklad: analýza spaľovaním organickej kvapaliny

Riešený príklad 3. Vzorka 0.3150 g kvapaliny obsahujúcej iba C, H a O sa úplne spáli v nadbytku kyslíka. Vznikne 0.6293 g CO₂ a 0.2577 g H₂O. Para má molárnu hmotnosť asi 88 g/mol. Nájdite oba vzorce.

Všetok uhlík skončí v CO₂ a všetok vodík v H₂O. Hmotnosť C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Hmotnosť H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Kyslík sa takto vysledovať nedá, pretože veľká časť kyslíka v produktoch pochádzala zo zásoby O₂, preto ho nájdite rozdielom: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Móly: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Delením 0.0071488 vyjde 2.000 : 4.001 : 1, takže empirický vzorec je C₂H₄O so vzorcovou hmotnosťou 44.06 g/mol. Násobok je 88 ÷ 44.06 = 2.0, čo dáva C₄H₈O₂. Tento molekulový vzorec majú viaceré rôzne zlúčeniny vrátane etylacetátu a kyseliny butánovej, takže na identifikáciu látky by boli potrebné štruktúrne dôkazy, napríklad zo spektroskopie.

Kde sa výpočty empirických vzorcov pokazia

Väčšina chýb vzniká v dvoch bodoch: pri výbere toho, čo previesť na móly, a pri rozhodovaní, ako naložiť s pomerom, ktorý nie je celé číslo. Obe skontrolujte skôr, než napíšete konečný vzorec.

Potom odpoveď otestujte na údajoch. Prepočítajte percentuálne zloženie navrhovaného vzorca a porovnajte ho s nameranými hodnotami; dobré údaje sa zvyčajne zhodujú na niekoľko desatín percenta. V riešenom príklade 2 dáva C₄H₆O₄ 40.68 % C, 5.13 % H a 54.19 % O, čo sa zhoduje s analýzou.

• Zaokrúhlenie pomeru 1.5 alebo 1.33 na najbližšie celé číslo namiesto vynásobenia všetkých pomerov.
• Zaokrúhlenie hodnôt v móloch na jednu alebo dve platné číslice, čo môže zmeniť jasných 1.50 na nejednoznačnú hodnotu.
• Delenie hmotnosti kyslíka číslom 32.00 g/mol. Použite atómovú hmotnosť O, 16.00, pretože indexy počítajú atómy.
• Pripisovanie kyslíka v produktoch spaľovania vzorke. Kyslík vo vzorke nájdite rozdielom.
• Ignorovanie chýbajúceho prvku. Ak sa uvedené percentá sčítajú výrazne pod 100 %, je prítomný ďalší prvok, často kyslík.
• Prijatie necelého molekulového násobku. Ak molárna hmotnosť ÷ hmotnosť empirického vzorca nie je blízko celého čísla, znova skontrolujte empirický vzorec.