Name: finding empirical and molecular formulas
Uploaded: 2020-09-03T13:38:26.000Z
Duration: 2 min 37 s
Channel: JoVE

K12 Standards

north-carolina-k-12-science-standard-course-of-study

North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Chemistry

Matter and its Interactions

PS.Chm.3.3

experimental-determination-of-chemical-formula

Experimental Determination of Chemical Formula

תרכובות כימיות מתוארות לרוב באמצעות נוסחה אמפירית או מולקולרית. נוסחאות אלה מספקות מידע על כמות האטומים השונים של היסודות המרכיבים את הבתרכובת. אך על מה הנוסחאות הללו מבוססות?ניתוח של ניסויים כמו אנליזת יסודות״משמש להערכת המסות היחסיות של היסודות מהם בנויה התרכובת. במסות יחסיות אלה משתמשים על מנת לחשב את מספר המולים של כל יסוד, ואז לקבוע את הנוסחה של תרכובת כימית. לדוגמה, דוגמית של תרכובת נבדקת בניסוי ועולה כי היא מכילה 43.64 גרם זרחן ו-56.36 גרם חמצן.על ידי שימוש במסות מולריות כגורמי המרה, המסות היחסיות העולות מתוצאות הניסוי מומרות ל-1.41 מולים של זרחן ול-3.52 מולים של חמצן. כאשר מציבים את ערכי המולים של היסודות, מקבלים פסאודו-נוסחה של התרכובת. חלוקת ערכי מול אלה בערך המול הקטן ביותר נותנת יחס מולי של 2.5 מול חמצן ל-1 מול זרחן בקירוב, מה שמצביע ישירות על היחס בפועל בין היסודות בתרכובת.אם אחת המנות עדיין מכילה שבר עשרוני, אז מכפילים את כל המספרים במספר הכי נמוך שאפשר כדי כדי לקבל את המספר השלם הקטן ביותר של יחס היסודות, המניב את הנוסחה האמפירית, P2O5. ניתן לקבוע את הנוסחה המולקולרית של תרכובות על בסיס הנוסחה האמפירית שלהן בצירוף המסה המולרית או המשקל המולקולרי. לדוגמה, התרכובת הכימית בעלת הנוסחה האמפירית P2O5 נמדדה בניסוי ונמצאה כבעלת מסה מולרית של 283.89 גרם למול.הנוסחה המולקולרית שלה הינה כפולה של מספר שלם בנוסחה האמפירית, בעוד המסה המולרית שלה היא מספר שלם כפול מסת הנוסחה האמפירית. היחס בין המסה המולרית למסת הנוסחה האמפירית נותן את מספר יחידות הנוסחה. כאשר מכפילים את הנוסחה האמפירית במספר יחידות הנוסחה, מתקבלת הנוסחה המולקולרית.כך, על פי הנוסחה המולקולרית P4O10, התרכובת מזוהה כטטרה-פוספורוס דקה-אוקסיד, המוכרת יותר בשם הנוסחה האמפירית שלה, חומצה זרחתית פנטאקוסידית.

קביעה ניסיונית של נוסחה כימית

<div style="direction:rtl">ההרכב היסודי של תרכובת מגדיר את זהותה הכימית, ונוסחאות כימיות הן הדרך התמציתית ביותר לייצג את המרכיב היסודי הזה. כאשר הנוסחה של תרכובת אינה ידועה, מדידת המסה של היסודות המרכיבים אותה היא לעתים קרובות השלב הראשון בקביעת הנוסחה באופן ניסיוני. <h4>קביעת נוסחאות אמפיריות</h4> הגישה הנפוצה ביותר לקביעת הנוסחה הכימית של תרכובת היא למדוד את המסות של היסודות המרכיבים אותה. עם זאת, נוסחאות כימיות מייצגות את המספרים היחסיים ולא את מסות האטומים בחומר. לכן, יש להשתמש בכל נתון שנגזר בניסוי הכולל מסה כדי לקבל את המספר התואם של האטומים בתרכובת. זה מושג באמצעות מסות מולריות כדי להמיר את המסה של כל יסוד למספר המולים שלו. כמויות מולריות אלו משמשות לחישוב יחסי מספר שלמים שניתן להשתמש בהם כדי לגזור את הנוסחה האמפירית של החומר. שקול דוגמה של תרכובת שנקבעה שהיא מכילה 1.71 גרם פחמן ו-0.287 גרם מימן. המספרים המקבילים של האטומים הם 0.142 מולים של פחמן ו-0.284 מולים של מימן. לפיכך, תרכובת זו עשויה להיות מיוצגת על ידי הנוסחה C0.142H0.284. לפי מוסכמה, נוסחאות מכילות מנויים של מספר שלם, שניתן להשיג על ידי חלוקה של כל מנוי תחתי במנוי המשנה הקטן ביותר (0.142). הנוסחה האמפירית לתרכובת זו היא אפוא CH2. מנויים של "1" אינם נכתבים אלא מניחים אם אין מספר אחר. ייתכן שזו הנוסחה המולקולרית של התרכובת או לא; עם זאת, יש צורך במידע נוסף כדי לקבל קביעה זו. כדוגמה שנייה, נקבע כי דגימה של תרכובת מכילה 5.31 גרם כלור ו-8.40 גרם חמצן. אותה גישה מניבה נוסחה אמפירית טנטטיבית של ClO3.5. במקרה זה, חלוקה במנוי הקטן ביותר עדיין משאירה נקודה עשרונית בנוסחה האמפירית. כדי להמיר את זה למספר שלם, הכפל כל אחד מהמנויים בשניים, תוך שמירה על אותו יחס אטום ותניב Cl2O7 כנוסחה האמפירית הסופית. <h4>גזירת נוסחאות אמפיריות מאחוז ההרכב</h4> במקרים בהם אחוז הרכב של תרכובת זמין, הוא משמש לחישוב מסות היסודות הקיימים בתרכובת. מכיוון שהסקאלה לאחוזים היא 100, נוח לחשב את מסת היסודות הקיימים בדגימה במשקל 100 גרם. המסות המתקבלות משמשות לגזירת הנוסחה האמפירית. לדוגמה, נניח שתרכובת גז מכילה 27.29% C ו-72.71% O. לכן, אחוזי המסה מבוטאים כשברים: <img alt="Eq1" src="https://www.jove.com/files/core/CDNSource/lessons/1018/1018_Equations-01v2.png" style="height: 35px;"> <img alt="Eq2" src="https://www.jove.com/files/core/CDNSource/lessons/1018/1018_Equations-02v2.png" style="height: 35px;"> מסת הפחמן, 27.29 גרם, מתאימה ל-2.272 מולות של פחמן, ומסת החמצן, 72.71 גרם, מתאימה ל-4.544 מולות של חמצן. הנוסחה המייצגת היא, אם כן, C2.272O4.544. חלוקת כל מנוי עם 2.272 מספקת את הנוסחה האמפירית: CO2. <h4>גזירת נוסחאות מולקולריות</h4> קביעת המספרים המוחלטים של אטומים המרכיבים מולקולה אחת של תרכובת קוולנטית דורשת ידע הן בנוסחה האמפירית שלה והן במסה המולקולרית או במסה המולרית שלה. ניתן לקבוע כמויות אלו בניסוי על ידי טכניקות מדידה שונות. מסה מולקולרית, למשל, נגזרת לעתים קרובות מספקטרום המסה של התרכובת. נוסחאות מולקולריות נגזרות על ידי השוואת המסה המולרית או המסה המולקולרית של התרכובת למסת הנוסחה האמפירית שלה. כפי שהשם מרמז, מסת נוסחה אמפירית היא סכום המסות האטומיות הממוצעות של כל האטומים המיוצגים בנוסחה אמפירית. אם המסה המולרית הידועה של חומר מחולקת במסת הנוסחה האמפירית, היא מניבה את מספר יחידות הנוסחה האמפירית לכל מולקולה (n). <img alt="Eq3" src="https://www.jove.com/files/core/CDNSource/lessons/1018/1018_Equations-03v2.png" style="height: 40px;"> הנוסחה המולקולרית מתקבלת לאחר מכן על ידי הכפלת כל מנוי משנה בנוסחה האמפירית ב-n, כפי שמוצג על ידי הנוסחה האמפירית גנרית AxBy: <img alt="Eq4" src="https://www.jove.com/files/core/CDNSource/lessons/1018/1018_Equations-04v2.png" style="height: 17px;"> לדוגמה, הנוסחה האמפירית של תרכובת קוולנטית נקבעת כ-CH2O, ומסת הנוסחה האמפירית שלה היא כ-30 amu. אם המסה המולקולרית של התרכובת נקבעת להיות 180 amu, הדבר מצביע על כך שמולקולה של תרכובת זו מכילה פי שישה ממספר האטומים המיוצגים בנוסחה האמפירית. <img alt="Eq5" src="https://www.jove.com/files/core/CDNSource/lessons/1018/1018_Equations-05v2.png" style="height: 35px;"> מולקולות של תרכובת זו מיוצגות לאחר מכן על ידי נוסחה מולקולרית עם כתובות משנה שגדולות פי שישה מאלו שבנוסחה האמפירית: (CH2O)6 = C6H12O6. טקסט זה מותאם מ <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/3-2-determining-empirical-and-molecular-formulas">Openstax, Chemistry 2e, Section 3.2: Determining Empirical and Molecular Formulas.</a></div>

ההרכב היסודי של תרכובת מגדיר את זהותה הכימית, ונוסחאות כימיות הן הדרך התמציתית ביותר לייצג את ההרכב היסודי הזה. ...

Education

JoVE Core

כימיה

אחד

Molecules, Compounds, and Chemical Equations

מולקולות, תרכובות ומשוואות כימיות

molecules-compounds-and-chemical-equations

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

finding empirical and molecular formulas

Chemical formulas show the elemental makeup of a compound. When a formula is unknown, scientists often start by measuring the masses of the elements in the sample. Those mass data are then used to find the simplest whole-number ratio of atoms, which gives the empirical formula.

To get from mass to atom ratio, the masses of the elements are first converted to moles using molar masses. Chemical formulas describe numbers of atoms, not masses, so this step is necessary. In one example, 1.71 grams of carbon and 0.287 grams of hydrogen become 0.142 moles of carbon and 0.284 moles of hydrogen. Dividing by the smallest value gives the empirical formula CH2, with the 1 omitted by convention.

Sometimes the numbers do not become whole right away. A sample containing 5.31 grams of chlorine and 8.40 grams of oxygen gives a tentative ratio of ClO3.5. Multiplying both subscripts by two keeps the same atom ratio and gives the whole-number empirical formula Cl2O7.

Percent composition can also be used to find an empirical formula. Because percentages are based on 100, it is convenient to imagine a 100-gram sample. For a gas that is 27.29% carbon and 72.71% oxygen, those masses correspond to 2.272 moles of carbon and 4.544 moles of oxygen. Dividing by the smaller amount gives the empirical formula CO2.

A molecular formula gives the actual number of atoms in one molecule of a covalent compound. To find it, both the empirical formula and the molecular mass or molar mass are needed. The empirical formula mass is the sum of the average atomic masses in the empirical formula, and dividing the molar mass by that value gives the number of empirical units per molecule, n. If the empirical formula is CH2O and the molecular mass is 180 amu, then n equals 6, so the molecular formula is C6H12O6.

Finding Empirical and Molecular Formulas

molecules and compounds

Atomic Elements, Molecules, and Bonds

Matter is made of elements, and elements are built from atoms. An atom is the smallest unit of an element that still keeps that element’s properties. A silver coin, for example, is made of silver atoms. Each atom keeps the unique properties of silver. Elements are pure substances made of identical atoms. They cannot be broken down into simpler substances by chemical changes. Most elements are atomic elements, which use single atoms as their basic unit. Carbon and sodium are examples of atomic...

molecular models

Molecular Model Types in Chemistry

Molecular models help chemists and students visualize the structures and shapes of atoms and molecules. They represent the molecular architecture of chemical compounds in a way that is easier to study than formulas alone. Skeletal models are simple two-dimensional drawings of compounds. They show the molecular framework, or the bonds, without drawing every atom. In this model, many carbon and hydrogen atoms are not shown directly. Their positions are implied by the ends and junctions of the...

organic compounds

Organic Molecules in Everyday Chemistry

Organic molecules are carbon-based compounds found in living things and in many everyday products. Most organic compounds have carbon as the main element, bonded to hydrogen and other carbon atoms. Some carbon-containing substances, such as carbonates, cyanides, and simple oxides like CO and CO2, are not classified as organic. Carbon can form up to four strong bonds, which helps explain why organic compounds can make chains and rings of many sizes and shapes. These molecules appear in...

formula mass and mole concepts of compounds

formula-mass-and-mole-concepts-of-compounds

Chemical Formula Mass and Percent Composition

Chemical formula mass and percent composition help describe the makeup of compounds. A chemical formula shows which atoms are present and how many of each atom appear in a substance. For covalent compounds, the formula shows the atoms in one molecule. That is why formula mass can also be called molecular mass. Chloroform, CHCl3, is one example. Its formula shows one carbon atom, one hydrogen atom, and three chlorine atoms. The molecular mass is the sum of their average atomic masses. Ionic...

experimental determination of chemical formula

Chemical formulas show the elemental makeup of a compound. When a formula is unknown, scientists often start by measuring the masses of the elements in the sample. Those mass data are then used to find the simplest whole-number ratio of atoms, which gives the empirical formula. To get from mass to atom ratio, the masses of the elements are first converted to moles using molar masses. Chemical formulas describe numbers of atoms, not masses, so this step is necessary. In one example, 1.71 grams...

chemical equations

Reading Chemical Equations and Balancing Them

Chemical equations show the identities and relative amounts of substances in a chemical reaction. The substances that react are called reactants, and their formulas are written on the left side of the equation. The substances formed are called products, and their formulas are written on the right side. A plus sign (+) separates formulas on the same side, and an arrow (→) shows the change from reactants to products. The numbers in a chemical equation are shown with coefficients. A coefficient...

key terms and concepts

Learn how to use mass, percent composition, and molar mass to determine empirical formulas and molecular formulas from experimental data.

Finding Empirical and Molecular Formulas | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

PS.Chm.4.3

ohios-learning-standards-and-model-curriculum

Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

Structure And Properties Of Matter

Quantifying matter

Interactions Of Matter

Stoichiometry

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

CH.3

CH.3.a

CH.3.b

CH.3.c

Texas Essential Knowledge and Skills

High School

CHEM.7

CHEM.7.B

CHEM.8

CHEM.8.D

CHEM.9

CHEM.9.A

Alabama Course of Study Science

Matter and Its Interactions

9-12.C.1.4.a

Florida Department of Education

Physical Science

SC.912.P.8

SC.912.P.8.7

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

HS. Chemical Reactions

HS-PS1-7.

Georgia Standards of Excellence

SC2.

Predicting Chemical Formulas

Scientific Laws and Theories

Scientific Laws

In science, a law is defined as a concise, verbal or mathematical, statement that summarizes a vast number of experimental observations. ...

The Scientific Method

Chemistry is an empirical science. Scientists often pose questions to understand the chemistry in everyday life and seek answers to these questions. To ...

Classifying Matter by State

Chemistry is the study of matter and the changes it undergoes. Matter is anything that has mass and occupies space. Matter is all around us; the air, ...

Classifying Matter by Composition

Matter: Pure Substances and Mixtures
According to its composition, the matter can be classified into two broad categories &mdash; pure substances and ...

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

Use models to explain how the scientific understanding of atomic structure has evolved.

PS.Chm.1.1

Radioactivity and Nuclear Equations

Nuclear chemistry is the study of reactions that involve changes in nuclear structure. The nucleus of an atom is composed of protons and, except for ...

Types of Radioactivity

The most common types of radioactivity are &#945; decay, &#946; decay, &#947; decay, neutron emission, and electron capture.
Alpha (&#945;) decay is the ...

Nuclear Stability

Protons and neutrons, collectively called nucleons, are packed together tightly in a nucleus. With a radius of about 10&#8722;15 meters, a nucleus is ...

Nuclear Binding Energy

The difference between the calculated and experimentally measured masses is known as the mass defect of the atom. In the case of helium-4, the mass defect ...

Radioactive Decay and Radiometric Dating

Radioactivity is a spontaneous disintegration of an unstable nuclide and is a random process, as all the nuclei in the sample do not decay simultaneously. ...

Nuclear Fission

Many heavier elements with smaller binding energies per nucleon can decompose into more stable elements that have intermediate mass numbers and larger ...

Nuclear Power

Controlled nuclear fission reactions are used to generate electricity. Any nuclear reactor that produces power via the fission of uranium or plutonium by ...

Nuclear Fusion

The process of converting very light nuclei into heavier nuclei is also accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy, a process ...

Nuclear Transmutation

Nuclear transmutation is the conversion of one nuclide into another. It can occur by the radioactive decay of a nucleus, or the reaction of a nucleus with ...

Use models to compare nuclear reactions including alpha decay, beta decay and gamma decay; nuclear fusion and nuclear fission.

PS.Chm.1.2

Atomic Orbitals

An atomic orbital represents the three-dimensional regions in an atom where an electron has the highest probability to reside. The radial distribution ...

The Pauli Exclusion Principle

The arrangement of electrons in the orbitals of an atom is called its electron configuration. We describe an electron configuration with a symbol that ...

The Energies of Atomic Orbitals

In an atom, the negatively charged electrons are attracted to the positively charged nucleus. In a multielectron atom, electron-electron repulsions are ...

The Aufbau Principle and Hund's Rule

To determine the electron configuration for any particular atom, we can build the structures in the order of atomic numbers. Beginning with hydrogen, and ...

electron-configuration-of-multielectron-atoms

Electron Configuration of Multielectron Atoms

The alkali metal sodium (atomic number 11) has one more electron than the neon atom. This electron must go into the lowest-energy subshell available, the ...

Use models to explain how electrons are distributed in atoms.

PS.Chm.1.3

Periodic Classification of the Elements

The periodic table arranges atoms based on increasing atomic number so that elements with the same chemical properties recur periodically. When their ...

The Periodic Table

As early chemists discovered more elements, they realized that various elements could be grouped by their similar chemical behaviors. One such grouping ...

Atomic Mass

Atoms &mdash; and the protons, neutrons, and electrons that compose them &mdash; are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 ...

Molar Mass

The identity of a substance is defined not only by the types of atoms or ions it contains but by the quantity of each type of atom or ion. For example, ...

Use the Periodic Table as a model to predict the relative properties of elements based on the pattern of valence electrons in the outermost energy levels of atoms.

PS.Chm.2.1

atomic-radii-and-effective-nuclear-charge

Atomic Radii and Effective Nuclear Charge

The elements in groups of the periodic table exhibit similar chemical behavior. This similarity occurs because the members of a group have the same number ...

Ionic Radii

Ionic radius is the measure used to describe the size of an ion. A cation always has fewer electrons and the same number of protons as the parent atom; it ...

Ionization Energy

The amount of energy required to remove the most loosely bound electron from a gaseous atom in its ground state is called its first ionization energy ...

Electron Affinity

The electron affinity (EA) is the energy change for adding an electron to a gaseous atom to form an anion (negative ion).



This process can be either ...

Construct an explanation to infer the atomic size, reactivity, electronegativity, and ionization energy of an element based on its position in the Periodic Table.

PS.Chm.2.2

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

The Born-Haber Cycle

Lattice Energy&#xA0;

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a ...

trends-in-lattice-energy-ion-size-and-charge

Trends in Lattice Energy: Ion Size and Charge

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a compound is a measure ...

Covalent Bonding and Lewis Structures

Compared to ionic bonds, which results from the transfer of electrons between metallic and nonmetallic atoms, covalent bonds result from the mutual ...

Electronegativity

Whether a bond is nonpolar or polar covalent is determined by a property of the bonding atoms called electronegativity.&#xA0;

Electronegativity values of ...

bond-polarity-dipole-moment-and-percent-ionic-character

Bond Polarity, Dipole Moment, and Percent Ionic Character

Bond Polarity

The absolute value of the difference in electronegativity (&Delta;EN) of two bonded atoms provides a rough measure of the polarity to be ...

lewis-structures-of-molecular-compounds-and-polyatomic-ions

Lewis Structures of Molecular Compounds and Polyatomic Ions

To draw Lewis structures for complicated molecules and molecular ions, it is helpful to follow a step-by-step procedure as outlined:


	Determine the ...

Resonance

The Lewis structure of a nitrite anion (NO2&minus;) may actually be drawn in two different ways, distinguished by the locations of the N-O and N=O ...

Formal Charges

In some cases, there are seemingly more than one valid Lewis structures for molecules and polyatomic ions. The concept of formal charges can be used to ...

Exceptions to the Octet Rule

Many covalent molecules have central atoms that do not have eight electrons in their Lewis structures. These molecules fall into three categories:


	...

Bond Energies and Bond Lengths

Stable molecules exist because covalent bonds hold the atoms together. The strength of a covalent bond is measured by the energy required to break it, ...

Analyze and interpret data to explain the mechanisms and properties of the two main types of intramolecular (ionic and covalent) bonds.

PS.Chm.3.1

molecular-comparison-of-gases-liquids-and-solids

Molecular Comparison of Gases, Liquids, and Solids

Particles in a solid are tightly packed together (fixed shape) and often arranged in a regular pattern; in a liquid, they are close together with no ...

Intermolecular vs Intramolecular Forces

Intermolecular forces (IMF) are electrostatic attractions arising from charge-charge interactions between molecules. The strength of the intermolecular ...

Intermolecular Forces

Atoms and molecules interact through bonds (or forces): intramolecular and intermolecular. The forces are electrostatic as they arise from interactions ...

comparing-intermolecular-forces-melting-point-boiling-point

Comparing Intermolecular Forces: Melting Point, Boiling Point, and Miscibility

Intermolecular forces are attractive forces that exist between molecules. They dictate several bulk properties, such as melting points, boiling points, ...

surface-tension-capillary-action-and-viscosity

Surface Tension, Capillary Action, and Viscosity

Surface Tension
The various IMFs between identical molecules of a substance are examples of cohesive forces. The molecules within a liquid are surrounded ...

Hydrogen Bonds

Hydrogen BondsHydrogen bonds are weak attractions between atoms that have formed other chemical bonds. One of these atoms is electronegative, like oxygen, ...

Van der Waals Interactions

Atoms and molecules interact with each other through intermolecular forces. These electrostatic forces arise from attractive or repulsive interactions ...

Construct an explanation to summarize the influences intermolecular forces have on the properties of chemical compounds.

PS.Chm.3.2

Analyze the structure of atoms and isotopes.

Finding Empirical and Molecular Formulas

Description

Transcript

More videos by Standards