3.9: Experimentelle Bestimmung der chemischen Formel

Die elementare Zusammensetzung einer Verbindung definiert ihre chemische Identität, und chemische Formeln sind die prägnanteste Möglichkeit, diese elementare Zusammensetzung darzustellen. Wenn die Formel einer Verbindung unbekannt ist, ist die Messung der Masse ihrer Bestandteile oft der erste Schritt zur experimentellen Bestimmung der Formel.

Bestimmung empirischer Formeln

Der gebräuchlichste Ansatz zur Bestimmung der chemischen Formel einer Verbindung besteht darin, zunächst die Massen ihrer Bestandteile zu messen. Chemische Formeln stellen jedoch die relativen Zahlen und nicht die Massen der Atome in der Substanz dar. Daher müssen alle experimentell abgeleiteten Massendaten verwendet werden, um die entsprechende Anzahl von Atomen in der Verbindung zu erhalten. Dies wird erreicht, indem Molmassen verwendet werden, um die Masse jedes Elements in seine Molzahl umzurechnen. Aus diesen Molmengen werden ganzzahlige Verhältnisse berechnet, aus denen sich die Summenformel des Stoffes ableiten lässt.

Betrachten Sie eine Probe einer Verbindung, bei der festgestellt wurde, dass sie 1,71 Gramm Kohlenstoff und 0,287 Gramm Wasserstoff enthält. Die entsprechenden Atomzahlen betragen 0,142 Mol Kohlenstoff und 0,284 Mol Wasserstoff. Somit kann diese Verbindung durch die Formel C_0.142H_0.284 dargestellt werden. Gemäß der Konvention enthalten Formeln ganzzahlige Indizes, was erreicht werden kann, indem jeder Index durch den kleinsten Index (0,142) dividiert wird. Die Summenformel für diese Verbindung lautet somit CH₂. Indizes von „1“ werden nicht geschrieben, sondern angenommen, wenn keine andere Zahl vorhanden ist. Dies kann die Summenformel der Verbindung sein oder auch nicht; Für diese Entscheidung sind jedoch zusätzliche Informationen erforderlich.

Als zweites Beispiel wird festgestellt, dass eine Probe einer Verbindung 5,31 Gramm Chlor und 8,40 Gramm Sauerstoff enthält. Der gleiche Ansatz ergibt eine vorläufige empirische Formel von ClO_3.5. In diesem Fall verbleibt bei der Division durch den kleinsten Index immer noch eine Dezimalstelle in der empirischen Formel. Um dies in eine ganze Zahl umzuwandeln, multiplizieren Sie jeden Index mit zwei, behalten Sie dabei das gleiche Atomverhältnis bei und erhalten Sie Cl₂O₇ als endgültige empirische Formel.

Ableitung empirischer Formeln aus der prozentualen Zusammensetzung

In Fällen, in denen die prozentuale Zusammensetzung einer Verbindung verfügbar ist, wird sie zur Berechnung der Massen der in der Verbindung vorhandenen Elemente verwendet. Da die Prozentskala 100 beträgt, ist es praktisch, die Masse der in einer Probe mit einem Gewicht von 100 Gramm vorhandenen Elemente zu berechnen. Aus den ermittelten Massen wird die Summenformel abgeleitet.

Angenommen, eine gasförmige Verbindung enthält 27,29 % C und 72,71 % O. Die Massenprozente werden daher als Bruchteile ausgedrückt:

Die Kohlenstoffmasse von 27,29 g entspricht 2,272 Mol Kohlenstoff und die Sauerstoffmasse von 72,71 g entspricht 4,544 Mol Sauerstoff. Die repräsentative Formel lautet daher C_2.272O_4.544. Die Division jedes Indexes durch 2,272 ergibt die empirische Formel: CO₂.

Ableitung molekularer Formeln

Die Bestimmung der absoluten Anzahl von Atomen, aus denen ein einzelnes Molekül einer kovalenten Verbindung besteht, erfordert die Kenntnis sowohl ihrer empirischen Formel als auch ihrer Molekülmasse oder Molmasse. Diese Größen können experimentell durch verschiedene Messtechniken bestimmt werden. Beispielsweise wird die Molekülmasse oft aus dem Massenspektrum der Verbindung abgeleitet.

Molekularformeln werden durch den Vergleich der Molmasse oder Molekülmasse der Verbindung mit ihrer empirischen Formelmasse abgeleitet. Wie der Name schon sagt, ist eine empirische Formelmasse die Summe der durchschnittlichen Atommassen aller in einer empirischen Formel dargestellten Atome. Dividiert man die bekannte Molmasse eines Stoffes durch die Summenformelmasse, so erhält man die Anzahl der Summenformeleinheiten pro Molekül (n).

Die Summenformel erhält man dann, indem man jeden Index in der empirischen Formel mit n multipliziert, wie die allgemeine empirische Formel A_xB_y zeigt:

Die empirische Formel einer kovalenten Verbindung lautet beispielsweise CH₂O und ihre empirische Formelmasse beträgt etwa 30 amu. Wenn die Molekülmasse der Verbindung mit 180 amu bestimmt wird, bedeutet dies, dass Moleküle dieser Verbindung sechsmal so viele Atome enthalten wie in der empirischen Formel dargestellt.

Moleküle dieser Verbindung werden dann durch eine Summenformel dargestellt, deren Indizes sechsmal größer sind als die in der empirischen Formel: (CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 3.2: Determining Empirical and Molecular Formulas.

Chemische Verbindungen werden in der Regel mit einer empirischen oder molekularen Formel beschrieben. Diese Formeln geben Auskunft über die Menge der verschiedenen Atome der beteiligten Elemente. Aber wie werden diese Formeln aufgestellt?

Die experimentelle Analyse wird, wie die Zersetzung von Verbindungen, verwendet, um die relativen Massen der beteiligten Elemente in der Verbindung abzuschätzen. Diese relativen Massen werden dann zur Berechnung der Molzahl jedes Elements verwendet, um die Formel einer chemischen Verbindung zu bestimmen. Zum Beispiel wird eine Probe einer Verbindung experimentell so bestimmt, dass sie 43, 64 Gramm Phosphor und 56, 36 Gramm Sauerstoff enthält.

Unter Verwendung der Molmassen als Umrechnungsfaktoren werden die relativen Massen aus den experimentellen Daten in 1, 41 Mol für Phosphor und 3, 52 Mol für Sauerstoff umgerechnet. Diese Molwerte ergeben, wenn sie als vorläufige tiefgestellte Zahlen den Elementen zugeordnet werden, eine Pseudoformel der Verbindung. Wenn man die Molwerte durch den kleinsten Molwert teilt, erhält man die Molverhältnisse von etwa 2, 5 Mol Sauerstoff zu 1 Mol Phosphor, die sich direkt auf den tatsächlichen Anteil der Elemente in der Verbindung beziehen.

Wenn einer der Quotienten noch ein Dezimalwert ist, werden alle Zahlen mit der kleinsten Zählzahl multipliziert, die das kleinste ganzzahlige Verhältnis der Subskriptionen ergibt, wodurch die empirische Formel P2O5 entsteht. Die Summenformel von Verbindungen kann aus ihrer Summenformel und entweder der Molmasse oder dem Molekulargewicht bestimmt werden. So wird beispielsweise die chemische Verbindung mit der Summenformel P2O5 experimentell so gemessen, dass sie eine Molmasse von 283, 89 Gramm pro Mol aufweist.

Ihre Molekularformel ist ein ganzzahliges Vielfaches ihrer Summenformel, während ihre Molmasse ein ganzzahliges Vielfaches ihrer Masse nach der Summenformel ist. Das Verhältnis von Molmasse und Masse der Summenformel ergibt die Anzahl der Formeleinheiten. Die Multiplikation der Summenformel mit der Anzahl der Formeleinheiten ergibt die Summenformel.

Ausgehend von der Molekülformel P4O10 wird die Verbindung daher als Tetraphosphordecaoxid oder, besser bekannt unter dem Namen der Summenformel, als Phosphorpentoxid bezeichnet.