Determinação Experimental de Fórmulas Químicas

A composição elementar de um composto define a sua identidade química, e as fórmulas químicas são a maneira mais concisa de representar esta composição elementar. Quando a fórmula de um composto é desconhecida, medir a massa dos seus elementos constitutivos é muitas vezes o primeiro passo para determinar experimentalmente a fórmula.

Determinação de Fórmulas Empíricas

A abordagem mais comum para a determinação da fórmula química de um composto é medir primeiro as massas dos seus elementos constituintes. No entanto, as fórmulas químicas representam os números relativos e não as massas de átomos na substância. Portanto, qualquer dado derivado experimentalmente envolvendo massa deve ser usado para obter os números correspondentes de átomos no composto. Isto é feito usando massas molares para converter a massa de cada elemento para o seu número de moles. Essas quantidades molares são usadas para calcular as razões de número inteiro que podem ser usadas para derivar a fórmula empírica da substância.

Considere uma amostra de um composto que se determinou conter 1,71 gramas de carbono e 0,287 gramas de hidrogénio. Os números correspondentes de átomos são 0,142 moles de carbono e 0,284 moles de hidrogénio. Assim, este composto pode ser representado pela fórmula C_0,142H_0,284. Por convenção, as fórmulas contêm os subscritos do número inteiro, que podem ser alcançados dividindo cada subscrito pelo menor subscrito (0,142). A fórmula empírica para este composto é, portanto, CH₂. Os subscritos de “1” não são escritos, mas sim assumidos se nenhum outro número estiver presente. Esta pode ou não ser a fórmula molecular do composto; no entanto, são necessárias informações adicionais para fazer essa determinação.

Como segundo exemplo, determina-se que uma amostra de um composto contém 5,31 gramas de cloro e 8,40 gramas de oxigénio. A mesma abordagem produz uma fórmula empírica provisória de ClO_3,5. Neste caso, a divisão pelo menor subscrito ainda deixa um decimal na fórmula empírica. Para converter isto em um número inteiro, multiplica-se cada um dos subscritos por dois, mantendo a mesma relação de átomos e produzindo Cl₂O₇ como a fórmula empírica final.

Derivação de Fórmulas Empíricas a Partir de Composição Percentual

Nos casos em que a composição percentual de um composto está disponível, ela é usada para calcular as massas dos elementos presentes no composto. Uma vez que a escala das percentagens é de 100, é conveniente calcular a massa dos elementos presentes em uma amostra de 100 gramas. As massas obtidas são usadas para derivar a fórmula empírica.

Por exemplo, suponha que um composto gasoso contém 27,29% C e 72,71% O. As percentagens de massa são, portanto, expressas em frações:

A massa de carbono, 27,29 g, corresponde a 2,272 moles de carbono, e a massa de oxigénio, 72,71 g, corresponde a 4,544 moles de oxigénio. A fórmula representativa é, portanto, C_2,272O_4,544. Dividindo cada subscrito por 2,272 fornece a fórmula empírica: CO₂. 

Derivação de Fórmulas Moleculares

Determinar o número absoluto de átomos que compõem uma única molécula de um composto covalente requer o conhecimento da sua fórmula empírica e da sua massa molecular ou massa molar. Estas quantidades podem ser determinadas experimentalmente por várias técnicas de medição. A massa molecular, por exemplo, é muitas vezes derivada do espectro de massa do composto.

As fórmulas moleculares são derivadas comparando a massa molar ou massa molecular do composto com a massa da sua fórmula empírica. Como o nome sugere, massa de fórmula empírica é a soma das massas atómicas médias de todos os átomos representados em uma fórmula empírica. Se a massa molar conhecida de uma substância for dividida pela massa de fórmula empírica, obtém-se o número de unidades de fórmula empírica por molécula (n). 

A fórmula molecular é então obtida multiplicando cada subscrito da fórmula empírica por n, como mostra a fórmula empírica genérica A_xB_y:

Por exemplo, determina-se que a fórmula empírica de um composto covalente é CH₂H, e a sua massa de fórmula empírica é de aproximadamente 30 amu. Se a massa molecular do composto for determinada como 180 amu, isso indica que as moléculas desse composto contêm seis vezes o número de átomos representados na fórmula empírica. 

As moléculas desse composto são então representadas por uma fórmula molecular com subscritos seis vezes maiores que as da fórmula empírica: (CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 3.2: Determining Empirical and Molecular Formulas.