Емпіричні та молекулярні формули за даними

Найпростіше відношення проти фактичного складу

Емпірична формула дає найменше цілочислове відношення атомів у сполуці. Молекулярна формула дає фактичну кількість атомів кожного виду в одній молекулі й завжди є цілим кратним емпіричної. Гідроген пероксид має молекулярну формулу H₂O₂ та емпіричну формулу HO. Глюкоза, C₆H₁₂O₆, має емпіричну формулу CH₂O, спільну з формальдегідом та оцтовою кислотою.

Самі лише дані про масу можуть виявити тільки емпіричну формулу, бо H₂O₂ і HO мають однаковий відсотковий склад. Щоб знайти кратність, потрібне окреме вимірювання молярної маси. Для йонних сполук, як-от натрій хлорид, що утворюють протяжні гратки, а не окремі молекули, формульну одиницю за домовленістю зазвичай записують як емпіричну формулу. Винятки зберігають багатоатомний йон цілим, як у натрій пероксиді, Na₂O₂, що містить пероксид-йон O₂²⁻.

Відсотковий склад за відомою формулою

Масова частка елемента у відсотках — це маса цього елемента в одному молі сполуки, поділена на молярну масу й помножена на 100. У цьому посібнику використано стандартні атомні маси IUPAC, округлені до двох десяткових розрядів: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 і Fe 55.85.

Розв’язаний приклад 1. Амоній сульфат, (NH₄)₂SO₄, застосовують як нітрогенне добриво. Яка його масова частка Нітрогену у відсотках? Одна формульна одиниця містить 2 N, 8 H, 1 S і 4 O, тож молярна маса дорівнює 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Нітроген: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Інші елементи дають 6.11% H, 24.26% S і 48.43% O, а сума чотирьох значень становить 100.00% — зручна перевірка того, що жодного атома не пропущено.

Перетворення мас на цілочислове відношення молів

Індекси лічать атоми, а атоми лічать у молях, тому метод завжди проходить через молі. Грами різних елементів не можна порівнювати безпосередньо, бо їхні атоми мають різні маси.

Крок від десяткового числа до дробу потребує судження. Експериментальні відношення рідко бувають точними, тому значення в межах приблизно 0.1 від цілого числа зазвичай можна округлити, але значення, близьке до 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 чи 1.75, сигналізує про дріб. Помножте всі відношення на 2, 3 або 4 відповідно. Наприклад, зразок оксиду заліза, що містить 1.737 g Fe і 0.747 g O, дає 0.03110 mol Fe і 0.0467 mol O. Відношення O:Fe дорівнює 1.50, тож подвоєння дає Fe₂O₃.

• Починайте з мас. Якщо є відсотки, припустіть зразок масою 100 g, щоб кожен відсоток став грамами.
• Перетворіть кожну масу на молі за атомною масою цього елемента.
• Поділіть усі значення молів на найменше з них.
• Якщо будь-яке відношення не близьке до цілого числа, помножте всі відношення на найменше ціле число, яке робить їх цілими.
• Запишіть індекси у загальноприйнятому порядку (для органічних сполук спочатку C, потім H, потім решта за алфавітом).

Розв’язаний приклад: карбонова кислота за відсотковим складом

Розв’язаний приклад 2. Аналіз білої кристалічної кислоти дає 40.68% C, 5.13% H і 54.19% O за масою. Окреме вимірювання визначає її молярну масу як 118 g/mol. Знайдіть емпіричну та молекулярну формули.

Припустіть 100 g, тож зразок містить 40.68 g C, 5.13 g H і 54.19 g O. Перетворіть на молі: 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. Поділіть на найменше значення, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Відношення Гідрогену 1.500 — це половина, а не похибка округлення, тому помножте всі відношення на 2: C₂H₃O₂. Її формульна маса дорівнює 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Кратність дорівнює 118 ÷ 59.05 = 2.00, тож молекулярна формула — C₄H₆O₄. Це формула бурштинової кислоти. Округлення 1.5 до 2 дало б CH₂O (30.03 g/mol), а 118 ÷ 30.03 = 3.93 не є цілим числом, що свідчить про хибну емпіричну формулу.

Розв’язаний приклад: аналіз спалюванням органічної рідини

Розв’язаний приклад 3. Зразок рідини масою 0.3150 g, що містить лише C, H і O, повністю спалюють у надлишку кисню. Утворюється 0.6293 g CO₂ та 0.2577 g H₂O. Молярна маса пари — приблизно 88 g/mol. Знайдіть обидві формули.

Увесь Карбон потрапляє до CO₂, а весь Гідроген — до 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. Оксиген не можна відстежити так само, бо значна частина Оксигену в продуктах походить із O₂, що подавався, тому знайдіть його за різницею: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Молі: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Ділення на 0.0071488 дає 2.000 : 4.001 : 1, тож емпірична формула — C₂H₄O з формульною масою 44.06 g/mol. Кратність дорівнює 88 ÷ 44.06 = 2.0, що дає C₄H₈O₂. Цю молекулярну формулу мають кілька різних сполук, зокрема етилацетат і бутанова кислота, тож для ідентифікації речовини потрібні структурні докази, наприклад спектроскопія.

Де помиляються в обчисленнях емпіричної формули

Більшість помилок трапляється у двох місцях: під час вибору того, що перетворювати на молі, і під час рішення, як вчинити з нецілим відношенням. Перевірте обидва місця, перш ніж записувати остаточну формулу.

Потім звірте відповідь із даними. Перерахуйте відсотковий склад запропонованої формули й порівняйте його з виміряними значеннями; добрі дані зазвичай збігаються з точністю до кількох десятих відсотка. У розв’язаному прикладі 2 формула C₄H₆O₄ дає 40.68% C, 5.13% H і 54.19% O, що збігається з аналізом.

• Округлення відношення 1.5 чи 1.33 до найближчого цілого замість множення всіх відношень.
• Округлення значень молів до однієї-двох значущих цифр, що може перетворити чітке 1.50 на щось неоднозначне.
• Ділення маси Оксигену на 32.00 g/mol. Використовуйте атомну масу O, 16.00, бо індекси лічать атоми.
• Віднесення Оксигену в продуктах спалювання до зразка. Оксиген зразка знаходьте за різницею.
• Ігнорування відсутнього елемента. Якщо вказані відсотки в сумі помітно менші за 100%, присутній ще один елемент, найчастіше Оксиген.
• Прийняття нецілої кратності молекулярної формули. Якщо молярна маса ÷ формульна маса емпіричної формули не близька до цілого числа, перевірте емпіричну формулу ще раз.