Емпиријске и молекулске формуле на основу података

Најједноставнији однос наспрам стварног састава

Емпиријска формула даје најмањи однос атома у једињењу изражен целим бројевима. Молекулска формула даје стварни број атома сваке врсте у једном молекулу и увек је целобројни умножак емпиријске формуле. Водоник-пероксид има молекулску формулу H₂O₂ и емпиријску формулу HO. Глукоза, C₆H₁₂O₆, има емпиријску формулу CH₂O, коју дели са формалдехидом и сирћетном киселином.

Само подаци о маси могу открити једино емпиријску формулу, јер H₂O₂ и HO имају идентичан процентни састав. За налажење умношка потребно је посебно мерење моларне масе. За јонска једињења као што је натријум-хлорид, која граде проширене решетке уместо засебних молекула, формулска јединица се по конвенцији обично пише као емпиријска формула. Изузеци задржавају вишеатомски јон нетакнутим, као код натријум-пероксида, Na₂O₂, који садржи пероксидни јон O₂²⁻.

Процентни састав на основу познате формуле

Масени проценат елемента је маса тог елемента у једном молу једињења подељена моларном масом, помножена са 100. Овај водич користи IUPAC стандардне атомске тежине заокружене на две децимале: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 и Fe 55.85.

Решени пример 1. Амонијум-сулфат, (NH₄)₂SO₄, користи се као азотно ђубриво. Колики је његов масени проценат азота? Једна формулска јединица садржи 2 N, 8 H, 1 S и 4 O, па је моларна маса 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Азот: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Остали елементи износе 6.11% H, 24.26% S и 48.43% O, а четири вредности дају збир 100.00%, што је корисна провера да ниједан атом није пропуштен.

Претварање маса у целобројни однос молова

Индекси броје атоме, а атоми се броје у молима, па метод увек пролази кроз молове. Грамови различитих елемената не могу се директно поредити јер њихови атоми имају различите масе.

Корак од децималног броја до разломка захтева процену. Експериментални односи ретко су егзактни, па се вредност у оквиру око 0.1 од целог броја обично може заокружити, али вредност близу 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 или 1.75 указује на разломак. Помножите све односе са 2, 3 или 4, како је прикладно. На пример, узорак гвожђе-оксида који садржи 1.737 g Fe и 0.747 g O даје 0.03110 mol Fe и 0.0467 mol O. Однос O:Fe је 1.50, па удвостручавање даје Fe₂O₃.

• Почните од маса. Ако имате проценте, претпоставите узорак од 100 g да би сваки проценат постао грамови.
• Сваку масу претворите у молове помоћу атомске тежине тог елемента.
• Поделите све вредности молова најмањом.
• Ако неки однос није близу целом броју, помножите све односе најмањим целим бројем који их чини целим.
• Индексе напишите уобичајеним редоследом (код органских једињења прво C, затим H, па остали по абецедном реду).

Решени пример: карбоксилна киселина на основу процентног састава

Решени пример 2. Анализа беле кристалне киселине даје 40.68% C, 5.13% H и 54.19% O по маси. Посебно мерење одређује њену моларну масу на 118 g/mol. Нађите емпиријску и молекулску формулу.

Претпоставите 100 g, па узорак има 40.68 g C, 5.13 g H и 54.19 g O. Претворите у молове: 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. Поделите најмањом вредношћу, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Однос водоника 1.500 је једна половина, а не грешка заокруживања, па помножите сваки однос са 2: C₂H₃O₂. Њена формулска маса је 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Умножак је 118 ÷ 59.05 = 2.00, па је молекулска формула C₄H₆O₄. То је формула ћилибарне киселине. Заокруживање 1.5 навише на 2 дало би CH₂O (30.03 g/mol), а 118 ÷ 30.03 = 3.93 није цео број, што је знак да је емпиријска формула погрешна.

Решени пример: анализа сагоревањем органске течности

Решени пример 3. Узорак течности од 0.3150 g, који садржи само C, H и O, потпуно сагорева у вишку кисеоника. Настаје 0.6293 g CO₂ и 0.2577 g H₂O. Пара има моларну масу од око 88 g/mol. Нађите обе формуле.

Сав угљеник завршава у CO₂, а сав водоник у H₂O. Маса C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Маса H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Кисеоник се не може пратити на исти начин, јер је велики део кисеоника у производима потекао из довода O₂, па га одредите разликом: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Молови: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Дељењем са 0.0071488 добија се 2.000 : 4.001 : 1, па је емпиријска формула C₂H₄O, са формулском масом 44.06 g/mol. Умножак је 88 ÷ 44.06 = 2.0, што даје C₄H₈O₂. Ову молекулску формулу дели неколико различитих једињења, укључујући етил-ацетат и бутанску киселину, па би за одређивање супстанце били потребни структурни докази као што је спектроскопија.

Где прорачуни емпиријске формуле погреше

Већина грешака настаје на две тачке: при избору шта претворити у молове и при одлучивању како поступити са односом који није цео број. Проверите обоје пре него што напишете коначну формулу.

Затим проверите одговор на подацима. Поново израчунајте процентни састав формуле коју предлажете и упоредите га са измереним вредностима; добри подаци се обично слажу у оквиру неколико десетина процента. У решеном примеру 2, C₄H₆O₄ даје 40.68% C, 5.13% H и 54.19% O, што се поклапа са анализом.

• Заокруживање односа 1.5 или 1.33 на најближи цео број уместо множења свих односа.
• Заокруживање вредности молова на једну или две значајне цифре, што јасних 1.50 може претворити у нешто двосмислено.
• Дељење масе кисеоника са 32.00 g/mol. Користите атомску тежину O, 16.00, јер индекси броје атоме.
• Приписивање кисеоника из производа сагоревања узорку. Кисеоник узорка одредите разликом.
• Игнорисање елемента који недостаје. Ако наведени проценти дају збир знатно испод 100%, присутан је још један елемент, често кисеоник.
• Прихватање нецелобројног молекулског умношка. Ако моларна маса ÷ маса емпиријске формуле није близу целом броју, поново проверите емпиријску формулу.