Công thức đơn giản nhất và công thức phân tử từ số liệu

Tỉ lệ đơn giản nhất so với thành phần thực tế

Công thức đơn giản nhất cho biết tỉ lệ số nguyên nhỏ nhất của các nguyên tử trong một hợp chất. Công thức phân tử cho biết số nguyên tử thực tế của mỗi loại trong một phân tử, và nó luôn là một bội số nguyên của công thức đơn giản nhất. Hiđro peoxit có công thức phân tử H₂O₂ và công thức đơn giản nhất HO. Glucozơ, C₆H₁₂O₆, có công thức đơn giản nhất CH₂O, trùng với fomanđehit và axit axetic.

Chỉ riêng số liệu khối lượng chỉ có thể cho biết công thức đơn giản nhất, vì H₂O₂ và HO có phần trăm thành phần giống hệt nhau. Cần một phép đo khối lượng mol riêng để tìm bội số. Với các hợp chất ion như natri clorua, vốn tạo thành mạng tinh thể mở rộng chứ không phải các phân tử riêng biệt, đơn vị công thức theo quy ước thường được viết như một công thức đơn giản nhất. Các ngoại lệ giữ nguyên một ion đa nguyên tử, như natri peoxit, Na₂O₂, chứa ion peoxit O₂²⁻.

Phần trăm thành phần từ một công thức đã biết

Phần trăm khối lượng của một nguyên tố là khối lượng nguyên tố đó trong một mol hợp chất chia cho khối lượng mol, nhân với 100. Hướng dẫn này dùng khối lượng nguyên tử chuẩn của IUPAC làm tròn đến hai chữ số thập phân: H 1.01, C 12.01, N 14.01, O 16.00, S 32.06 và Fe 55.85.

Ví dụ có lời giải 1. Amoni sunfat, (NH₄)₂SO₄, được dùng làm phân đạm. Phần trăm khối lượng nitơ của nó là bao nhiêu? Một đơn vị công thức chứa 2 N, 8 H, 1 S và 4 O, nên khối lượng mol là 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol. Nitơ: 28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N. Các nguyên tố còn lại cho 6.11% H, 24.26% S và 48.43% O, và bốn giá trị cộng lại bằng 100.00%, một phép kiểm tra hữu ích rằng không bỏ sót nguyên tử nào.

Biến khối lượng thành tỉ lệ mol số nguyên

Chỉ số dưới đếm nguyên tử, và nguyên tử được đếm bằng mol, nên phương pháp luôn đi qua mol. Không thể so sánh trực tiếp gam của các nguyên tố khác nhau vì nguyên tử của chúng có khối lượng khác nhau.

Bước đổi từ số thập phân sang phân số cần sự phán đoán. Tỉ lệ thực nghiệm hiếm khi chính xác, nên một giá trị cách số nguyên trong khoảng 0.1 thường có thể làm tròn, nhưng một giá trị gần 1.5, 1.33, 1.67, 1.25 hoặc 1.75 báo hiệu một phân số. Hãy nhân mọi tỉ lệ với 2, 3 hoặc 4 cho phù hợp. Chẳng hạn, một mẫu oxit sắt chứa 1.737 g Fe và 0.747 g O cho 0.03110 mol Fe và 0.0467 mol O. Tỉ lệ O:Fe là 1.50, nên nhân đôi cho Fe₂O₃.

• Bắt đầu từ khối lượng. Nếu bạn có phần trăm, hãy giả sử mẫu nặng 100 g để mỗi phần trăm trở thành gam.
• Đổi mỗi khối lượng sang mol bằng khối lượng nguyên tử của nguyên tố đó.
• Chia mọi giá trị mol cho giá trị nhỏ nhất.
• Nếu có tỉ lệ nào không gần với số nguyên, hãy nhân tất cả các tỉ lệ với số nguyên nhỏ nhất làm chúng thành số nguyên.
• Viết các chỉ số dưới theo thứ tự quy ước (với hợp chất hữu cơ, C trước, rồi H, rồi các nguyên tố còn lại theo thứ tự bảng chữ cái).

Ví dụ có lời giải: một axit cacboxylic từ phần trăm thành phần

Ví dụ có lời giải 2. Phân tích một axit kết tinh màu trắng cho 40.68% C, 5.13% H và 54.19% O theo khối lượng. Một phép đo riêng cho khối lượng mol của nó là 118 g/mol. Hãy tìm công thức đơn giản nhất và công thức phân tử.

Giả sử có 100 g, nên mẫu có 40.68 g C, 5.13 g H và 54.19 g O. Đổi sang 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. Chia cho giá trị nhỏ nhất, 3.387: C 1.000, H 1.500, O 1.000.

Tỉ lệ hiđro 1.500 là một nửa chứ không phải sai số làm tròn, nên hãy nhân mọi tỉ lệ với 2: C₂H₃O₂. Khối lượng công thức của nó là 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol. Bội số là 118 ÷ 59.05 = 2.00, nên công thức phân tử là C₄H₆O₄. Đây là công thức của axit succinic. Nếu làm tròn 1.5 lên 2 thì sẽ được CH₂O (30.03 g/mol), và 118 ÷ 30.03 = 3.93 không phải số nguyên, một dấu hiệu cho thấy công thức đơn giản nhất sai.

Ví dụ có lời giải: phân tích đốt cháy một chất lỏng hữu cơ

Ví dụ có lời giải 3. Một mẫu 0.3150 g chất lỏng chỉ chứa C, H và O được đốt cháy hoàn toàn trong oxi dư. Nó tạo ra 0.6293 g CO₂ và 0.2577 g H₂O. Hơi của chất này có khối lượng mol khoảng 88 g/mol. Hãy tìm cả hai công thức.

Toàn bộ cacbon chuyển thành CO₂ và toàn bộ hiđro chuyển thành H₂O. Khối lượng C = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g. Khối lượng H = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g. Không thể truy ngược oxi theo cách tương tự, vì phần lớn oxi trong sản phẩm đến từ nguồn O₂ cấp vào, nên hãy tìm nó bằng hiệu số: 0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O.

Số mol: 0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C; 0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H; 0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O. Chia cho 0.0071488 được 2.000 : 4.001 : 1, nên công thức đơn giản nhất là C₂H₄O, với khối lượng công thức 44.06 g/mol. Bội số là 88 ÷ 44.06 = 2.0, cho C₄H₈O₂. Nhiều hợp chất khác nhau có chung công thức phân tử này, trong đó có etyl axetat và axit butanoic, nên để xác định chất cần có bằng chứng về cấu trúc như phổ học.

Những chỗ tính công thức đơn giản nhất hay sai

Hầu hết lỗi xảy ra ở hai điểm: chọn cái gì để đổi sang mol, và quyết định xử lý thế nào một tỉ lệ không phải số nguyên. Hãy kiểm tra cả hai trước khi viết công thức cuối cùng.

Sau đó hãy đối chiếu đáp án với số liệu. Tính lại phần trăm thành phần của công thức bạn đề xuất và so sánh với các giá trị đo; số liệu tốt thường khớp trong phạm vi vài phần mười phần trăm. Ở ví dụ có lời giải 2, C₄H₆O₄ cho 40.68% C, 5.13% H và 54.19% O, khớp với kết quả phân tích.

• Làm tròn tỉ lệ 1.5 hay 1.33 đến số nguyên gần nhất thay vì nhân cả các tỉ lệ.
• Làm tròn giá trị mol xuống một hoặc hai chữ số có nghĩa, điều có thể biến một tỉ lệ 1.50 rõ ràng thành mơ hồ.
• Chia khối lượng oxi cho 32.00 g/mol. Hãy dùng khối lượng nguyên tử của O, 16.00, vì chỉ số dưới đếm nguyên tử.
• Gán oxi trong sản phẩm đốt cháy cho mẫu. Hãy tìm oxi của mẫu bằng hiệu số.
• Bỏ qua một nguyên tố bị thiếu. Nếu các phần trăm đã nêu cộng lại thấp hơn nhiều so với 100%, có một nguyên tố khác, thường là oxi.
• Chấp nhận một bội số phân tử không nguyên. Nếu khối lượng mol ÷ khối lượng công thức đơn giản nhất không gần với số nguyên, hãy kiểm tra lại công thức đơn giản nhất.