3.9: 化学式の実験的決定

化合物の元素構成は化学的特性を定義し、化学式はこの元素構成を表す最も簡潔な方法です。 化合物の式が不明な場合は、その成分の質量を測定することが、実験的に式を決定する最初のステップとなることがよくあります。

実験式の決定

化合物の化学式を決定する最も一般的な方法は、まずその構成要素の質量を測定することです。 ただし、化学式は物質内の原子の質量ではなく、相対的な数値を表しています。 したがって、質量を含む実験的に得られたデータを使用して、化合物内の原子に対応した数を得る必要があります。 これは、モル質量を使用して各元素の質量をそのモル数に変換することで実現されます。 これらのモル量は、物質の実験式を得るために使用できる整数比を計算するために使用されます。

1.71 グラムの炭素と 0.287 グラムの水素を含む化合物の試料を考えてみます。 原子の数は、炭素 0.142 モルと水素 0.284 モルに相当します。 したがって、この化合物は C_0.142H_0.284という式で表されます。慣例により、数式には整数の添え字が含まれています。これは、各添え字を最小の添え字 (0.142) で割ることで実現できます。 したがって、この化合物の経験的な式は CH₂ です。 「 1 」の添字は書かれず、他の数字がない場合は１と仮定します。 これが化合物の分子式であるかどうかは別として、その判断にはさらなる情報が必要です。

2 番目の例として、化合物の試料には 5.31 グラムの塩素と 8.40 グラムの酸素が含まれていることが確認されました。 そして同様のアプローチにより、 ClO_3.5の暫定的な実験式が得られます。 この場合、最小の下付き文字で除算しても、実験式には小数点が残ります。 これを整数に変換するには、各添え字に 2 を掛け、原子比を同じにして、最終的な実験式として Cl₂O₇を返します。

組成比から実験式を導き出す

化合物のパーセント組成がわかる場合は、それをもとに化合物に含まれる元素の質量を算出します。 パーセンテージのスケールは 100 なので、 100 グラムのサンプルに含まれる元素の質量を計算すると便利です。 得られた質量は、実験式を得るために使用されます。

例えば、ガス化合物に 27.29% C および 72.71% O が含まれているとします。その質量パーセンテージは分数として表されます。

炭素量 27.29 g は 2.272 モルの炭素に相当し、酸素量 72.71 g は 4.544 モルの酸素に相当します。 したがって、典型的な式は C_2.272O_4.544です。 各下付き文字を 2.272 で除算すると、実験式 CO₂ が得られます。  

分子式の導出

共有結合化合物の単一分子を構成する原子の絶対数を決定するには、その実験式とその分子量またはモル質量の両方についての知識が必要です。 これらの量は、さまざまな測定手法によって実験的に決定できます。 たとえば、分子量は化合物の質量スペクトルから導出されることがよくあります。

分子式は、化合物のモル質量または分子質量を実験式質量と比較することで導き出されます。 名前が示すように、実験式質量は、実験式で表されるすべての原子の平均原子質量の合計です。 物質の既知モル質量を実験式質量で割った場合、分子当たりの経験式単位数（ n ）が算出されます。

次に、一般的な実験式 A_xB_yで示されるように、実験式の各下付き文字に nを掛けて、分子式を求めます。

たとえば、共有結合化合物の実験式は CH₂O であり、その実験式質量は約 30 amu です。 化合物の分子量が 180 amu であると判断された場合、この化合物の分子には経験式で表される原子の数の 6 倍含まれていることを示します。

次に、この化合物の分子は、実験式の 6 倍の添字を持つ分子式(CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆で表されます。

このテキストは 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 3.2 ： Determining Empirical and Molecular Formulas から引用しています。