3.9: Eksperymentalne oznaczanie wzoru chemicznego

Skład pierwiastkowy związku określa jego tożsamość chemiczną, a wzory chemiczne są najbardziej zwięzłym sposobem przedstawienia tego składu pierwiastkowego. Gdy wzór związku jest nieznany, pomiar masy jego pierwiastków składowych jest często pierwszym krokiem do eksperymentalnego ustalenia wzoru.

Wyznaczanie wzorów empirycznych

Najczęstszym podejściem do określenia wzoru chemicznego związku jest najpierw zmierzenie mas jego pierwiastków składowych. Jednak wzory chemiczne przedstawiają względne liczby, a nie masy atomów w substancji. Dlatego w celu uzyskania odpowiedniej liczby atomów w związku należy zastosować wszelkie dane uzyskane eksperymentalnie dotyczące masy. Osiąga się to za pomocą mas molowych w celu przeliczenia masy każdego pierwiastka na liczbę moli. Te ilości molowe wykorzystuje się do obliczania stosunków w liczbach całkowitych, które można wykorzystać do wyprowadzenia wzoru empirycznego substancji.

Rozważmy próbkę związku, która zawiera 1,71 grama węgla i 0,287 grama wodoru. Odpowiednia liczba atomów to 0,142 mola węgla i 0,284 mola wodoru. Zatem związek ten można przedstawić wzorem C0,142H0,284. Zgodnie z konwencją, formuły zawierają indeksy dolne w postaci liczb całkowitych, co można uzyskać, dzieląc każdy indeks dolny przez najmniejszy indeks dolny (0,142). Zatem wzór empiryczny tego związku to CH2. Indeksy dolne „1” nie są zapisywane, ale raczej zakładane, jeśli nie ma innej liczby. Może to być wzór cząsteczkowy związku lub nie; jednakże do dokonania takiego ustalenia potrzebne są dodatkowe informacje.

Jako drugi przykład określono, że próbka związku zawiera 5,31 grama chloru i 8,40 grama tlenu. To samo podejście daje wstępny wzór empiryczny na ClO3,5. W tym przypadku dzielenie przez najmniejszy indeks dolny nadal pozostawia we wzorze empirycznym przecinek. Aby przeliczyć to na liczbę całkowitą, należy pomnożyć każdy z indeksów dolnych przez dwa, zachowując ten sam stosunek atomów i otrzymując Cl2O7 jako ostateczny wzór empiryczny.

Wyprowadzanie wzorów empirycznych ze składu procentowego

W przypadkach, gdy dostępny jest skład procentowy związku, stosuje się go do obliczenia mas pierwiastków obecnych w związku. Ponieważ skala procentowa wynosi 100, wygodnie jest obliczyć masę pierwiastków obecnych w próbce o masie 100 gramów. Uzyskane masy służą do wyprowadzenia wzoru empirycznego.

Załóżmy na przykład, że związek gazowy zawiera 27,29% C i 72,71% O. Dlatego procenty masowe wyraża się jako ułamki:

Masa węgla 27,29 g odpowiada 2,272 molom węgla, a masa tlenu 72,71 g odpowiada 4,544 molom tlenu. Reprezentatywny wzór to zatem C2.272O4.544. Dzielenie każdego indeksu dolnego przez 2,272 daje wzór empiryczny: CO2.

Wyprowadzanie wzorów molekularnych

Określenie bezwzględnej liczby atomów tworzących pojedynczą cząsteczkę związku kowalencyjnego wymaga znajomości zarówno jego wzoru empirycznego, jak i masy cząsteczkowej lub masy molowej. Wielkości te można wyznaczyć eksperymentalnie różnymi technikami pomiarowymi. Na przykład masę cząsteczkową często wyznacza się na podstawie widma masowego związku.

Wzory cząsteczkowe wyprowadza się poprzez porównanie masy molowej lub masy cząsteczkowej związku z jego masą ze wzoru empirycznego. Jak sama nazwa wskazuje, masa ze wzoru empirycznego jest sumą średnich mas atomowych wszystkich atomów przedstawionych we wzorze empirycznym. Jeżeli znaną masę molową substancji dzieli się przez masę ze wzoru empirycznego, otrzymuje się liczbę jednostek wzoru empirycznego na cząsteczkę (n).

Następnie wzór cząsteczkowy otrzymuje się poprzez pomnożenie każdego indeksu dolnego we wzorze empirycznym przez n, jak pokazano za pomocą ogólnego wzoru empirycznego AxBy:

Na przykład, wzór empiryczny związku kowalencyjnego określa się jako CH2O, a jego masa według wzoru empirycznego wynosi w przybliżeniu 30 amu. Jeżeli masa cząsteczkowa związku zostanie określona na 180 amu, oznacza to, że cząsteczki tego związku zawierają sześciokrotność liczby atomów przedstawionych we wzorze empirycznym.

Cząsteczki tego związku przedstawia się wówczas wzorem cząsteczkowym o indeksach dolnych sześciokrotnie większych niż we wzorze empirycznym: (CH2O)6 = C6H12O6.

Związki chemiczne są zwykle opisywane za pomocą wzoru empirycznego lub cząsteczkowego. Wzory te dostarczają informacji o ilości różnych atomów zaangażowanych pierwiastków. Ale jak ustala się te formuły?

Analiza eksperymentalna, podobnie jak rozkład związków, służy do oszacowania względnych mas pierwiastków składowych w związku. Te względne masy są następnie wykorzystywane do obliczenia liczby moli każdego pierwiastka w celu określenia wzoru związku chemicznego.

Na przykład eksperymentalnie określa się, że próbka związku zawiera 43,64 grama fosforu i 56,36 grama tlenu. Używając mas molowych jako współczynników konwersji, masy względne z danych eksperymentalnych są przeliczane na 1,41 mola dla fosforu i 3,52 mola dla tlenu. Te wartości molowe, po przypisaniu jako tymczasowe indeksy dolne do pierwiastków, dają pseudo-formułę związku.

Podzielenie wartości molowych przez najmniejszą wartość molową daje stosunek molowy około 2,5 mola tlenu do 1 mola fosforu, co bezpośrednio odnosi się do rzeczywistej proporcji pierwiastków w związku. 

Jeśli jeden z ilorazów jest nadal ułamkiem dziesiętnym, to wszystkie liczby są mnożone przez najmniejszą liczbę zliczającą, która daje najmniejszy stosunek liczb całkowitych indeksów dolnych, generując empiryczny wzór P₂O₅. 

Wzór cząsteczkowy związków można określić na podstawie ich wzoru empirycznego i masy molowej lub masy cząsteczkowej.

Na przykład związek chemiczny o wzorze empirycznym P₂O₅ mierzy się doświadczalnie jako mający masę molową 283,89 g/mol. Jego wzór cząsteczkowy jest wielokrotnością liczby całkowitej jego wzoru empirycznego, podczas gdy jego masa molowa jest wielokrotnością liczby całkowitej jego masy wzoru empirycznego.

Stosunek masy molowej do masy wzoru empirycznego daje liczbę jednostek wzoru. Pomnożenie wzoru empirycznego przez liczbę jednostek wzoru daje wzór cząsteczkowy. Stąd ze wzoru cząsteczkowego P₄O₁₀ związek ten jest identyfikowany jako dekatlenek tetrafosforu lub bardziej znany pod nazwą wzoru empirycznego jako pięciotlenek fosforu.