Empiriska formler och molekylformler utifrån data

Enklaste förhållandet jämfört med verklig sammansättning

En empirisk formel anger det minsta heltalsförhållandet mellan atomer i en förening. En molekylformel anger det faktiska antalet av varje sorts atom i en molekyl, och den är alltid en heltalsmultipel av den empiriska formeln. Väteperoxid har molekylformeln H₂O₂ och den empiriska formeln HO. Glukos, C₆H₁₂O₆, har den empiriska formeln CH₂O, som den delar med formaldehyd och ättiksyra.

Enbart massdata kan bara avslöja den empiriska formeln, eftersom H₂O₂ och HO har identisk massprocentsammansättning. En separat mätning av molmassan behövs för att hitta multipeln. För joniska föreningar som natriumklorid, som bildar utsträckta gitter snarare än avgränsade molekyler, skrivs formelenheten vanligen som en empirisk formel enligt konvention. Undantagen behåller en flervärd jon intakt, som i natriumperoxid, Na₂O₂, som innehåller peroxidjonen O₂²⁻.

Massprocent utifrån en känd formel

Massprocenten av ett grundämne är massan av det grundämnet i en mol av föreningen dividerad med molmassan, gånger 100. Den här guiden använder IUPAC:s standardatomvikter avrundade till två decimaler: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 och Fe 55.85.

Räkneexempel 1. Ammoniumsulfat, (NH₄)₂SO₄, används som kvävegödsel. Vad är dess massprocent kväve? En formelenhet innehåller 2 N, 8 H, 1 S och 4 O, så molmassan är 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Kväve: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. De övriga grundämnena blir 6.11% H, 24.26% S och 48.43% O, och de fyra värdena summerar till 100.00%, en användbar kontroll av att inga atomer har glömts bort.

Att göra om massor till ett heltalsförhållande mellan substansmängder

Index räknar atomer, och atomer räknas i mol, så metoden går alltid via mol. Gram av olika grundämnen kan inte jämföras direkt eftersom deras atomer har olika massa.

Steget från decimaltal till bråk kräver omdöme. Experimentella förhållanden är sällan exakta, så ett värde inom ungefär 0.1 från ett heltal kan oftast avrundas, men ett värde nära 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 eller 1.75 tyder på ett bråk. Multiplicera alla förhållanden med 2, 3 eller 4 efter behov. Till exempel ger ett prov av en järnoxid som innehåller 1.737 g Fe och 0.747 g O 0.03110 mol Fe och 0.0467 mol O. Förhållandet O:Fe är 1.50, så en fördubbling ger Fe₂O₃.

• Börja från massor. Om du har procentsatser, anta ett prov på 100 g så att varje procentsats blir gram.
• Omvandla varje massa till mol med hjälp av det grundämnets atomvikt.
• Dividera varje molvärde med det minsta.
• Om något förhållande inte ligger nära ett heltal, multiplicera alla förhållanden med det minsta heltal som gör dem hela.
• Skriv indexen i konventionell ordning (för organiska föreningar först C, sedan H och sedan resten i alfabetisk ordning).

Räkneexempel: en karboxylsyra utifrån massprocent

Räkneexempel 2. Analys av en vit kristallin syra ger 40.68% C, 5.13% H och 54.19% O efter massa. En separat mätning anger dess molmassa till 118 g/mol. Bestäm den empiriska formeln och molekylformeln.

Anta 100 g, så att provet har 40.68 g C, 5.13 g H och 54.19 g O. Omvandla till 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. Dividera med det minsta värdet, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Väteförhållandet 1.500 är en halv, inte ett avrundningsfel, så multiplicera alla förhållanden med 2: C₂H₃O₂. Dess formelmassa är 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Multipeln är 118 ÷ 59.05 = 2.00, så molekylformeln är C₄H₆O₄. Detta är formeln för bärnstenssyra. Om 1.5 hade avrundats uppåt till 2 hade det gett CH₂O (30.03 g/mol), och 118 ÷ 30.03 = 3.93 är inte ett heltal, ett tecken på att den empiriska formeln är fel.

Räkneexempel: förbränningsanalys av en organisk vätska

Räkneexempel 3. Ett prov på 0.3150 g av en vätska som bara innehåller C, H och O förbränns fullständigt i överskott av syre. Det ger 0.6293 g CO₂ och 0.2577 g H₂O. Ångan har molmassan ungefär 88 g/mol. Bestäm båda formlerna.

Allt kol hamnar i CO₂ och allt väte i H₂O. Massa C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Massa H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Syret kan inte spåras på samma sätt, eftersom mycket av syret i produkterna kom från tillförseln av O₂, så bestäm det genom differens: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Substansmängder: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Division med 0.0071488 ger 2.000 : 4.001 : 1, så den empiriska formeln är C₂H₄O, med formelmassan 44.06 g/mol. Multipeln är 88 ÷ 44.06 = 2.0, vilket ger C₄H₈O₂. Flera olika föreningar delar denna molekylformel, däribland etylacetat och butansyra, så för att identifiera ämnet skulle strukturella belägg behövas, till exempel spektroskopi.

Var beräkningar av empiriska formler går fel

De flesta fel sker vid två punkter: när man väljer vad som ska omvandlas till mol och när man avgör hur ett förhållande som inte är ett heltal ska hanteras. Kontrollera båda innan du skriver den slutliga formeln.

Testa sedan svaret mot data. Räkna om massprocentsammansättningen för den formel du föreslår och jämför den med de uppmätta värdena; bra data stämmer vanligen överens inom några tiondels procent. I räkneexempel 2 ger C₄H₆O₄ 40.68% C, 5.13% H och 54.19% O, vilket stämmer med analysen.

• Att avrunda ett förhållande på 1.5 eller 1.33 till närmaste heltal i stället för att multiplicera igenom.
• Att avrunda molvärdena till en eller två gällande siffror, vilket kan göra en tydlig 1.50 till något tvetydigt.
• Att dividera en syremassa med 32.00 g/mol. Använd atomvikten för O, 16.00, eftersom index räknar atomer.
• Att tillskriva provet det syre som finns i förbränningsprodukterna. Bestäm provets syre genom differens.
• Att bortse från ett saknat grundämne. Om de angivna procentsatserna summerar till klart under 100%, finns ett annat grundämne, ofta syre, närvarande.
• Att acceptera en molekylär multipel som inte är ett heltal. Om molmassa ÷ den empiriska formelns massa inte ligger nära ett heltal, kontrollera den empiriska formeln på nytt.