Determinación Experimental de la Fórmula Química

La composición elemental de un compuesto define su identidad química y las fórmulas químicas son la manera más concisa de representar esta composición elemental. Cuando se desconoce la fórmula de un compuesto, la medición de la masa de sus elementos constitutivos suele ser el primer paso para determinar experimentalmente la fórmula.

Determinación de fórmulas empíricas

El enfoque más común para determinar la fórmula química de un compuesto es medir primero las masas de sus elementos constitutivos. Sin embargo, las fórmulas químicas representan los números relativos y no las masas de átomos en la sustancia. Por lo tanto, cualquier dato derivado experimentalmente que involucre la masa debe ser usado para obtener los números correspondientes de átomos en el compuesto. Esto se logra usando masas molares para convertir la masa de cada elemento a su número de moles. Estas cantidades molares se utilizan para calcular proporciones de números enteros que se pueden utilizar para obtener la fórmula empírica de la sustancia.

Considere una muestra de un compuesto determinado que contiene 1,71 gramos de carbono y 0,287 gramos de hidrógeno. Los números de átomos correspondientes son 0,142 moles de carbono y 0,284 moles de hidrógeno. Por lo tanto, este compuesto puede ser representado por la fórmula C_0,142H_0,284. Por convención, las fórmulas contienen subíndices de números enteros, que se pueden lograr dividiendo cada subíndice por el subíndice más pequeño (0,142). La fórmula empírica para este compuesto es por lo tanto CH₂. Los subíndices de “1” no se escriben, sino que se asumen si no hay ningún otro número presente. Esta puede ser o no la fórmula molecular del compuesto; sin embargo, se necesita información adicional para hacer esa determinación.

Como segundo ejemplo, se determina que una muestra de un compuesto contiene 5,31 gramos de cloro y 8,40 gramos de oxígeno. El mismo enfoque da como resultado una fórmula empírica provisional de ClO_3,5. En este caso, dividir por el subíndice más pequeño aún deja un decimal en la fórmula empírica. Para convertir esto en un número entero, multiplique cada uno de los subíndices por dos, manteniendo la misma proporción de átomos y produciendo Cl₂O₇ como la fórmula empírica final.

Obtener fórmulas empíricas a partir de la composición porcentual

En los casos en que la composición porcentual de un compuesto está disponible, se utiliza para calcular las masas de los elementos presentes en el compuesto. Dado que la escala de porcentajes es de 100, es conveniente calcular la masa de los elementos presentes en una muestra de 100 gramos de peso. Las masas obtenidas se utilizan para obtener la fórmula empírica.

Por ejemplo, supongamos que un compuesto gaseoso contiene 27,29% de C y 72,71% de O. Los porcentajes de masa, por lo tanto, se expresan como fracciones:

La masa de carbono, 27,29 g, corresponde a 2,272 moles de carbono, y la masa de oxígeno, 72,71 g, corresponde a 4,544 moles de oxígeno. Por consiguiente, la fórmula representativa es C_2,272O_4,544. Al dividir cada subíndice por 2,272 se obtiene la fórmula empírica: CO₂. 

Obtención de fórmulas moleculares

Determinar el número absoluto de átomos que componen una sola molécula de un compuesto covalente requiere conocimiento tanto de su fórmula empírica como de su masa molecular o masa molar. Estas cantidades pueden determinarse experimentalmente por diversas técnicas de medición. La masa molecular, por ejemplo, a menudo se deriva del espectro de masa del compuesto.

Las fórmulas moleculares se obtienen comparando la masa molar o la masa molecular del compuesto con su masa de fórmula empírica. Como su nombre lo indica, una masa de fórmula empírica es la suma de las masas atómicas promedio de todos los átomos representados en una fórmula empírica. Si la masa molar conocida de una sustancia se divide por la masa de fórmula empírica, se obtiene el número de unidades de fórmula empírica por molécula (n). 

La fórmula molecular se obtiene multiplicando cada subíndice de la fórmula empírica porn, como muestra la fórmula empírica genérica A_xB_y:

Por ejemplo, se determina que la fórmula empírica de un compuesto covalente es de CH₂O, y que su masa de fórmula empírica es de aproximadamente 30 uma. Si se determina que la masa molecular del compuesto es de 180 uma, esto indica que las moléculas de este compuesto contienen seis veces el número de átomos representados en la fórmula empírica. 

Las moléculas de este compuesto son representadas por una fórmula molecular con subíndices que son seis veces mayores que los de la fórmula empírica: (CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 3.2: Determinando fórmulas empíricas y moleculares.