根据数据求实验式与分子式

最简比与实际组成

实验式给出化合物中原子的最小整数比。分子式给出一个分子中每种原子的实际数目，并且总是实验式的整数倍。过氧化氢的分子式是 H₂O₂，实验式是 HO。葡萄糖 C₆H₁₂O₆ 的实验式是 CH₂O，甲醛和乙酸的实验式也是它。

仅凭质量数据只能得出实验式，因为 H₂O₂ 和 HO 的百分组成完全相同。要确定倍数，还需要另外测量摩尔质量。对于氯化钠这样形成扩展晶格而不是独立分子的离子化合物，按惯例通常把化学式单元写成实验式。例外情况是让多原子离子保持完整，如过氧化钠 Na₂O₂，其中含有过氧根离子 O₂²⁻。

由已知化学式求百分组成

某元素的质量分数，等于 1 摩尔该化合物中这种元素的质量除以摩尔质量，再乘以 100。本指南使用修约到两位小数的 IUPAC 标准原子量：H 1.01，C 12.01，N 14.01，O 16.00，S 32.06，Fe 55.85。

例题 1。硫酸铵 (NH₄)₂SO₄ 用作氮肥。它的氮的质量分数是多少？一个化学式单元含有 2 个 N、8 个 H、1 个 S 和 4 个 O，所以摩尔质量为 2(14.01) + 8(1.01) + 32.06 + 4(16.00) = 28.02 + 8.08 + 32.06 + 64.00 = 132.16 g/mol。氮：28.02 ÷ 132.16 × 100 = 21.20% N。其他元素分别为 6.11% H、24.26% S 和 48.43% O，四个数值之和为 100.00%，这是检查是否遗漏了原子的一个有用方法。

将质量转化为整数摩尔比

下标表示原子的个数，而原子是以摩尔来计数的，所以这个方法总要经过摩尔。不同元素的克数不能直接比较，因为它们的原子质量不同。

小数转分数这一步需要判断。实验得到的比值很少是精确的，所以与整数相差在 0.1 以内的值通常可以修约，但接近 1.5、1.33、1.67、1.25 或 1.75 的值则表明是分数。应视情况把所有比值乘以 2、3 或 4。例如，一份含有 1.737 g Fe 和 0.747 g O 的铁氧化物样品，得到 0.03110 mol Fe 和 0.0467 mol O。O:Fe 的比值是 1.50，所以乘以 2 得到 Fe₂O₃。

• 从质量出发。如果给出的是百分数，就假设样品为 100 g，这样每个百分数就变成了克数。
• 用各元素的原子量把每个质量换算为摩尔。
• 把每个摩尔数除以其中最小的那个。
• 如果有任何比值不接近整数，就把所有比值乘以能使它们都成为整数的最小整数。
• 按惯用顺序写出下标（对有机化合物，先写 C，然后是 H，其余按字母顺序）。

例题：由百分组成求羧酸

例题 2。对一种白色结晶性酸的分析得到质量分数 40.68% C、5.13% H 和 54.19% O。另一项测量得出其摩尔质量为 118 g/mol。求实验式和分子式。

假设为 100 g，则样品含有 40.68 g C、5.13 g H 和 54.19 g O。换算为摩尔：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。除以最小值 3.387：C 1.000，H 1.500，O 1.000。

氢的比值 1.500 是一个二分之一，而不是修约误差，所以把所有比值乘以 2：C₂H₃O₂。它的式量为 2(12.01) + 3(1.01) + 2(16.00) = 59.05 g/mol。倍数是 118 ÷ 59.05 = 2.00，所以分子式是 C₄H₆O₄。这是丁二酸的化学式。如果把 1.5 进位为 2，就会得到 CH₂O（30.03 g/mol），而 118 ÷ 30.03 = 3.93 不是整数，这表明实验式有误。

例题：有机液体的燃烧分析

例题 3。一份只含 C、H 和 O 的 0.3150 g 液体样品在过量氧气中完全燃烧，生成 0.6293 g CO₂ 和 0.2577 g H₂O。其蒸气的摩尔质量约为 88 g/mol。求这两种化学式。

全部的碳都变成了 CO₂，全部的氢都变成了 H₂O。C 的质量 = 0.6293 g CO₂ × (12.01 g C / 44.01 g CO₂) = 0.17173 g。H 的质量 = 0.2577 g H₂O × (2.02 g H / 18.02 g H₂O) = 0.028888 g。氧不能用同样的方法追溯，因为产物中的大部分氧来自供给的 O₂，所以通过差减求得：0.3150 − 0.17173 − 0.028888 = 0.11438 g O。

物质的量：0.17173 ÷ 12.01 = 0.014299 mol C；0.028888 ÷ 1.01 = 0.028602 mol H；0.11438 ÷ 16.00 = 0.0071488 mol O。除以 0.0071488 得到 2.000 : 4.001 : 1，所以实验式是 C₂H₄O，式量为 44.06 g/mol。倍数是 88 ÷ 44.06 = 2.0，得到 C₄H₈O₂。有几种不同的化合物具有这个分子式，包括乙酸乙酯和丁酸，所以要确定是哪种物质，还需要光谱学等结构方面的证据。

实验式计算容易在哪里出错

大多数错误出现在两个环节：选择把什么换算为摩尔，以及决定如何处理不是整数的比值。在写出最终化学式之前，请检查这两处。

然后用数据检验答案。重新计算您所提出化学式的百分组成，并与测量值比较；好的数据通常相差在百分之零点几以内。在例题 2 中，C₄H₆O₄ 给出 40.68% C、5.13% H 和 54.19% O，与分析结果吻合。

• 把 1.5 或 1.33 这样的比值直接修约为最接近的整数，而不是整体乘以倍数。
• 把摩尔数修约到一位或两位有效数字，这可能使明确的 1.50 变得含糊不清。
• 用 32.00 g/mol 去除氧的质量。应使用 O 的原子量 16.00，因为下标计数的是原子。
• 把燃烧产物中的氧算作样品中的氧。样品中的氧应通过差减求得。
• 忽略缺失的元素。如果所给的百分数之和远低于 100%，说明还存在另一种元素，通常是氧。
• 接受非整数的分子式倍数。如果摩尔质量 ÷ 实验式质量不接近整数，请重新检查实验式。