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 określenia wzoru.

Wyznaczanie wzorów empirycznych

Najczęstszym podejściem do określenia wzoru chemicznego związku jest najpierw pomiar mas jego pierwiastków składowych. Jednak wzory chemiczne reprezentują względne liczby, a nie masy atomów w substancji. W związku z tym wszelkie uzyskane doświadczalnie dane dotyczące masy muszą być wykorzystane do uzyskania odpowiedniej liczby atomów w związku. Osiąga się to za pomocą mas molowych do przeliczenia masy każdego pierwiastka na liczbę moli. Te wielkości molowe są używane do obliczania stosunków liczb całkowitych, które można wykorzystać do wyprowadzenia wzoru empirycznego substancji.

Rozważmy próbkę związku, w którym stwierdzono, że 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 za pomocą wzoru C_0,142H_0,284. Zgodnie z konwencją formuły zawierają indeksy całkowite, które można uzyskać, dzieląc każdy indeks dolny przez najmniejszy indeks dolny (0,142). Wzór empiryczny na ten związek to zatem_CH2. Indeksy dolne liczby “1” nie są zapisywane, ale raczej zakładane, jeśli nie ma żadnej innej liczby. Może, ale nie może to być wzór cząsteczkowy związku; Do dokonania tego ustalenia potrzebne są jednak dodatkowe informacje.

Jako drugi przykład, określa się, że próbka związku zawiera 5,31 grama chloru i 8,40 grama tlenu. To samo podejście prowadzi do wstępnego wzoru empirycznego ClO_3.5. W tym przypadku dzielenie przez najmniejszy indeks dolny nadal pozostawia ułamek dziesiętny we wzorze empirycznym. Aby przekształcić to w liczbę całkowitą, pomnóż 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 procentowy skład związku, służy on do obliczania mas pierwiastków obecnych w związku. Ponieważ skala procentowa wynosi 100, wygodnie jest obliczyć masę pierwiastków obecnych w próbce o wadze 100 gramów. Otrzymane masy służą do wyprowadzenia wzoru empirycznego.

Załóżmy na przykład, że związek gazowy zawiera 27,29% C i 72,71% O. Procenty masowe są zatem wyrażone jako ułamki:

Masa węgla 27,29 g odpowiada 2,272 molom węgla, a masa tlenu 72,71 g odpowiada 4,544 molom tlenu. Wzorem reprezentatywnym jest zatem C_2,272O_4,544. Dzieląc każdy indeks dolny przez 2,272, otrzymujemy wzór empiryczny: CO₂ . 

Wyprowadzanie wzorów molekularnych

Określenie bezwzględnej liczby atomów, z których składa się pojedyncza cząsteczka związku kowalencyjnego, wymaga znajomości zarówno jego wzoru empirycznego, jak i masy cząsteczkowej lub masy molowej. Wielkości te mogą być wyznaczane doświadczalnie za pomocą różnych technik pomiarowych. Na przykład masa cząsteczkowa jest często uzyskiwana z widma masowego związku.

Wzory cząsteczkowe uzyskuje się przez porównanie masy molowej lub masy cząsteczkowej związku z jego masą wzoru empirycznego. Jak sama nazwa wskazuje, masa wzoru empirycznego to suma średnich mas atomowych wszystkich atomów reprezentowanych we wzorze empirycznym. Jeśli znana masa molowa substancji zostanie podzielona przez masę wzoru empirycznego, otrzymamy liczbę jednostek wzoru empirycznego na cząsteczkę (n). 

Wzór cząsteczkowy otrzymuje się następnie przez pomnożenie każdego indeksu dolnego we wzorze empirycznym przez n, jak pokazuje ogólny wzór empiryczny A_xB_y:

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

Cząsteczki tego związku są następnie reprezentowane przez wzór cząsteczkowy z indeksami dolnymi, które są sześciokrotnie większe niż we wzorze empirycznym: (CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 3.2: Określanie wzorów empirycznych i molekularnych.