Empirične in molekulske formule iz podatkov

Najpreprostejše razmerje in dejanska sestava

Empirična formula podaja najmanjše celoštevilsko razmerje atomov v spojini. Molekulska formula podaja dejansko število atomov vsake vrste v eni molekuli in je vedno celoštevilski večkratnik empirične formule. Vodikov peroksid ima molekulsko formulo H₂O₂ in empirično formulo HO. Glukoza, C₆H₁₂O₆, ima empirično formulo CH₂O, ki jo deli s formaldehidom in ocetno kislino.

Samo podatki o masi lahko razkrijejo le empirično formulo, ker imata H₂O₂ in HO enako odstotno sestavo. Za določitev večkratnika je potrebna ločena meritev molske mase. Pri ionskih spojinah, kot je natrijev klorid, ki tvorijo razširjene kristalne mreže in ne ločenih molekul, formulsko enoto po dogovoru običajno zapišemo kot empirično formulo. Izjeme ohranijo večatomni ion nedotaknjen, kot pri natrijevem peroksidu, Na₂O₂, ki vsebuje peroksidni ion O₂²⁻.

Odstotna sestava iz znane formule

Masni odstotek elementa je masa tega elementa v enem molu spojine, deljena z molsko maso, krat 100. Ta vodnik uporablja IUPAC standardne atomske mase, zaokrožene na dve decimalki: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 in Fe 55.85.

Rešen primer 1. Amonijev sulfat, (NH₄)₂SO₄, se uporablja kot dušikovo gnojilo. Kolikšen je njegov masni odstotek dušika? Ena formulska enota vsebuje 2 N, 8 H, 1 S in 4 O, zato je molska masa 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Dušik: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20 % N. Drugi elementi znašajo 6.11 % H, 24.26 % S in 48.43 % O, vsota vseh štirih vrednosti pa je 100.00 %, kar je uporabno preverjanje, da noben atom ni bil izpuščen.

Pretvorba mas v celoštevilsko razmerje molov

Indeksi štejejo atome, atomi pa se štejejo v molih, zato metoda vedno poteka prek molov. Gramov različnih elementov ni mogoče neposredno primerjati, ker imajo njihovi atomi različne mase.

Korak od decimalke do ulomka zahteva presojo. Eksperimentalna razmerja so redko natančna, zato vrednost znotraj približno 0.1 od celega števila običajno zaokrožimo, vrednost blizu 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 ali 1.75 pa nakazuje ulomek. Vsa razmerja pomnožite z 2, 3 ali 4, kot je primerno. Na primer, vzorec železovega oksida, ki vsebuje 1.737 g Fe in 0.747 g O, da 0.03110 mol Fe in 0.0467 mol O. Razmerje O:Fe je 1.50, zato podvojitev da Fe₂O₃.

• Začnite z masami. Če imate odstotke, predpostavite vzorec 100 g, tako da vsak odstotek postane gram.
• Vsako maso pretvorite v mole z atomsko maso tega elementa.
• Vse vrednosti molov delite z najmanjšo.
• Če katero razmerje ni blizu celega števila, vsa razmerja pomnožite z najmanjšim celim številom, ki jih naredi cela.
• Indekse zapišite v običajnem vrstnem redu (pri organskih spojinah najprej C, nato H, nato ostali po abecedi).

Rešen primer: karboksilna kislina iz odstotne sestave

Rešen primer 2. Analiza bele kristalne kisline da 40.68 % C, 5.13 % H in 54.19 % O po masi. Ločena meritev določi njeno molsko maso na 118 g/mol. Poiščite empirično in molekulsko formulo.

Predpostavite 100 g, tako da vzorec vsebuje 40.68 g C, 5.13 g H in 54.19 g O. Pretvorite v mole: 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. Delite z najmanjšo vrednostjo, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Razmerje vodika 1.500 je polovica, ne zaokrožitvena napaka, zato vsa razmerja pomnožite z 2: C₂H₃O₂. Njegova formulska masa je 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Večkratnik je 118 ÷ 59.05 = 2.00, zato je molekulska formula C₄H₆O₄. To je formula jantarne kisline. Če bi 1.5 zaokrožili na 2, bi dobili CH₂O (30.03 g/mol), 118 ÷ 30.03 = 3.93 pa ni celo število, kar je znak, da je empirična formula napačna.

Rešen primer: analiza zgorevanja organske tekočine

Rešen primer 3. Vzorec tekočine z maso 0.3150 g, ki vsebuje samo C, H in O, popolnoma zgori v presežku kisika. Pri tem nastane 0.6293 g CO₂ in 0.2577 g H₂O. Molska masa pare je približno 88 g/mol. Poiščite obe formuli.

Ves ogljik konča v CO₂ in ves vodik v H₂O. Masa C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Masa H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Kisika ni mogoče slediti na enak način, ker je velik del kisika v produktih izviral iz oskrbe z O₂, zato ga poiščite z razliko: 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. Deljenje z 0.0071488 da 2.000 : 4.001 : 1, zato je empirična formula C₂H₄O s formulsko maso 44.06 g/mol. Večkratnik je 88 ÷ 44.06 = 2.0, kar da C₄H₈O₂. To molekulsko formulo ima več različnih spojin, med njimi etil acetat in butanojska kislina, zato bi za prepoznavo snovi potrebovali strukturne dokaze, na primer spektroskopijo.

Kje gredo izračuni empirične formule narobe

Večina napak nastane na dveh točkah: pri izbiri, kaj pretvoriti v mole, in pri odločitvi, kako obravnavati razmerje, ki ni celo število. Pred zapisom končne formule preverite oboje.

Nato odgovor preizkusite s podatki. Ponovno izračunajte odstotno sestavo predlagane formule in jo primerjajte z izmerjenimi vrednostmi; dobri podatki se običajno ujemajo znotraj nekaj desetink odstotka. V rešenem primeru 2 C₄H₆O₄ da 40.68 % C, 5.13 % H in 54.19 % O, kar se ujema z analizo.

• Zaokrožanje razmerja 1.5 ali 1.33 na najbližje celo število namesto množenja skozi.
• Zaokroževanje vrednosti molov na eno ali dve veljavni števki, kar lahko jasno 1.50 spremeni v nekaj dvoumnega.
• Deljenje mase kisika s 32.00 g/mol. Uporabite atomsko maso O, 16.00, ker indeksi štejejo atome.
• Pripisovanje kisika v produktih zgorevanja vzorcu. Kisik vzorca poiščite z razliko.
• Prezrtje manjkajočega elementa. Če je vsota navedenih odstotkov precej pod 100 %, je prisoten še en element, pogosto kisik.
• Sprejemanje necelega molekulskega večkratnika. Če razmerje molske mase in formulske mase empirične formule ni blizu celega števila, ponovno preverite empirično formulo.