Představili jsme si mikroskopický pohled na chemickou reakci mezi rtutí a bromem. Rovnice
| \ | \ | \ |
 |
 |
_Bromide_Rotated.png?revision=1&size=bestfit&width=136&height=94) |
 |
 |
 |
představuje stejný děj z hlediska chemických symbolů a vzorců, zatímco obrázky níže představují makroskopický pohled. Jak ale praktický chemik zjistí, co se děje v mikroskopickém měřítku? Když se reakce provádí poprvé, je o mikroskopické povaze produktů známo jen málo. Je proto nutné experimentálně určit složení a vzorec nově syntetizované látky.
Prvním krokem takového postupu je obvykle oddělení a přečištění produktů reakce. Například ačkoli kombinací rtuti s bromem vzniká především bromid rtuťnatý, často vzniká také trochu bromidu rtuťnatého. Směs bromidu rtuťnatého s bromidem rtuťnatým má jiné vlastnosti než čistý vzorek HgBr2, a proto je třeba Hg2Br2 odstranit. Nízká rozpustnost Hg2Br2 ve vodě by umožnila čištění rekrystalizací. Produkt by se mohl rozpustit v malém množství horké vody a přefiltrovat, aby se odstranil nerozpuštěný Hg2Br2. Po ochlazení a částečném odpaření vody by se vytvořily krystaly relativně čistého HgBr2.
Po získání čistého produktu by bylo možné látku identifikovat pomocí jejích fyzikálních a chemických vlastností. Reakcí rtuti s bromem vznikají bílé krystaly, které tají při 236 °C. Vzniklá kapalina vře při 322 °C. Protože vzniká spojením dvou prvků, jedná se o sloučeninu. Porovnáním jeho vlastností s příručkou nebo tabulkou údajů dojdeme k závěru, že se jedná o bromid rtuťnatý.
Předpokládejme však, že jste první, kdo kdy připravil bromid rtuťnatý. Tehdy neexistovaly žádné tabulky, které by uváděly jeho vlastnosti, a jak byste tedy mohli určit, že vzorec by měl být HgBr2? Jedna odpověď zahrnuje kvantitativní analýzu – určení hmotnostního procenta každého prvku ve sloučenině. Takové údaje se obvykle uvádějí jako procentuální složení.
Příklad \(\PageIndex{1}\): Když 10,0 g rtuti reaguje s dostatečným množstvím bromu, vznikne 18,0 g čisté sloučeniny. Vypočítejte procentní složení z těchto experimentálních údajů.
Roztok:
Procentní složení rtuti je hmotnost rtuti dělená celkovou hmotností sloučeniny krát 100 procent:
\
Zbytek sloučeniny (18 g rtuti) se vynásobí 100 procenty.0 g – 10 g = 8,0 g) je brom:
\
Pro kontrolu ověřte, že procenta dávají součet 100:
\
Chceme-li z údajů o procentuálním složení získat vzorec, musíme zjistit, kolik atomů bromu připadá na jeden atom rtuti. V makroskopickém měřítku to odpovídá poměru množství bromu k množství rtuti. Pokud je vzorec HgBr2, znamená to nejen to, že na jeden atom rtuti připadají dva atomy bromu, ale také to, že na každý 1 mol atomů rtuti připadají 2 moly atomů bromu. To znamená, že množství bromu je dvakrát větší než množství rtuti. Čísla v poměru množství bromu k množství rtuti (2:1) jsou indexy bromu a rtuti ve vzorci.
Příklad \(\PageIndex{2}\) : Vzorec
Určete vzorec sloučeniny, jejíž procentuální složení bylo vypočteno v předchozím příkladu.
Řešení:
Pro usnadnění předpokládejte, že máme 100 g sloučeniny. Z toho 55,6 g (55,6 %) je rtuť a 44,4 g je brom. Každou hmotnost lze převést na látkové množství
\(\begin{align}). & n_{\text{Hg}}=\text{55,6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200,59 g}} =\text{0,277 mol Hg} \\ { } \\ & n_{\text{Hg}}=\text{44,4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Br}}{\text{79,90 g}} =\text{0,556 mol Br} \end{align}\)
Dělíme-li větší množství menším, dostaneme
\
Z poměru 2,01 mol Br na 1 mol Hg také vyplývá, že na 1 atom Hg připadá 2,01 atomu Br. Pokud je atomová teorie správná, neexistuje nic takového jako 0,01 atomu Br; navíc naše čísla jsou dobrá pouze na tři platné číslice. Proto zaokrouhlíme 2,01 na 2 a vzorec zapíšeme jako HgBr2.
Příklad \(\PageIndex{3}\): Najděte jeho vzorec.
Bromid rtuťnatý má složení 71,5 % Hg, 28,5 % Br:
Předpokládejte opět vzorek o hmotnosti 100 g a vypočítejte množství jednotlivých prvků:
\(\begin{align}) & n_{\text{Hg}}=\text{71}\text{.5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200,59 g}} = \text{0,356 mol Hg} \\ { } \\ & n_{\text{Hg}}=\text{28,5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Br}}{\text{79,90 g}} =\text{0,357 mol Br} \end{align}\)
Poměr je
\
Přiřadili bychom tedy vzorec HgBr.
Vzorec získaný v příkladu \(\PageIndex{3}\) neodpovídá ani jednomu ze dvou bromidů rtuti, které jsme již probrali. Jedná se o třetí? Odpověď zní ne, protože naše metoda dokáže určit pouze poměr Br k Hg. Poměr 1:1 je stejný jako 2:2, a proto naše metoda poskytne stejný výsledek pro HgBr nebo Hg2Br2 (nebo Hg7Br7, pokud existuje). Vzorec určený touto metodou se nazývá empirický vzorec nebo nejjednodušší vzorec. Někdy, jako v případě bromidu rtuťnatého, se empirický vzorec liší od skutečného molekulového složení nebo molekulového vzorce. Experimentální stanovení molekulové hmotnosti vedle procentuálního složení umožňuje výpočet molekulového vzorce.
Příklad \(\PageIndex{4}\):
Sloučenina, jejíž molekulová hmotnost je 28, obsahuje 85,6 % C a 14,4 % H. Určete její empirický a molekulový vzorec.
Řešení:
\(\begin{align}). & n_{\text{C}}=\text{85,6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol C}}{\text{12,01 g}} =\text{7,13 mol C} \\ { } \\ & n_{\text{H}}=\text{14,4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol H}}{\text{1,008 g}} =\text{14,3 mol H} \end{align}\)
\
Empirický vzorec je tedy CH2. Molekulová hmotnost odpovídající empirickému vzorci je
\
Protože experimentální molekulová hmotnost je dvakrát větší, musí se všechny indexy zdvojnásobit a molekulový vzorec je C2H4.
Občas není poměr množství celé číslo.
Příklad \(\PageIndex{5}\):
Aspirin obsahuje 60,0 % C, 4,48 % H a 35,5 % O. Jaký je jeho empirický vzorec?
Řešení:
\(\begin{align}) & n_{\text{H}}=\text{14,4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol H}}{\text{1,008 g}} =\text{14,3 mol H} \\ { } \\& n_{\text{C}}=\text{85,6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol C}}{\text{12,01 g}} =\text{7,13 mol C} \\ { } \\ & n_{\text{O}}=\text{35,5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol O}}{\text{16,00 g}} =\text{2,22 mol O} \end{align}\)
Vydělte všechny tři nejmenším množstvím látky
\(\begin{align} & \dfrac{n_{\text{C}}}{n_{\text{O}} = \dfrac{\text{5,00 mol C}}{\text{2,22 mol O}} = \dfrac{\text{2,25 mol H}}{\text{1 mol O}} \\ { } \\ & \dfrac{n_{\text{H}}}{n_{\text{O}}= \dfrac{\text{4,44 mol H}}{\text{2,22 mol O}}= \dfrac{\text{2,00 mol H}}{text{1 mol O}} \end{align}\)
Je jasné, že atomů H je dvakrát více než atomů O, ale poměr C a O není tak zřejmý. Musíme převést 2,25 na poměr malých celých čísel. To lze provést tak, že čísla za desetinnou čárkou změníme na zlomek. V tomto případě se z 0,25 stane \(\malé \dfrac{1}{4}\). Tedy \( 2,25 = 2 \small\dfrac{1}{4} \normalsize = \tfrac{\text{9}}{\text{4}}) a
\
Můžeme také napsat
\
Takto je empirický vzorec C9H8O4.
Jakmile někdo určí vzorec – empirický nebo molekulový – může někdo jiný provést opačný výpočet. Zjištění hmotnostně-procentního složení ze vzorce se často ukáže jako docela informativní, jak ukazuje následující příklad.
Příklad \(\PageIndex{6}\): Procentní složení dusíku
Pro doplnění dusíku odstraněného z půdy při sklizni rostlin se jako hnojiva používají sloučeniny NaNO3 (dusičnan sodný), NH4NO3 (dusičnan amonný) a NH3 (amoniak). Pokud by zemědělec mohl koupit každou z nich za stejnou cenu za gram, která by byla nejvýhodnější? Jinými slovy, která sloučenina obsahuje největší procento dusíku?
Roztok
Podrobný výpočet si ukážeme pouze pro případ NH4NO3.
1 mol NH4NO3 obsahuje 2 mol N, 4 mol H a 3 mol O. Molární hmotnost je tedy
\
Vzorek o hmotnosti 1 mol by vážil 80 g.05 g. Hmotnost 2 molů N, které obsahuje, je
\
Procentuální podíl N je tedy
\
Procentuální podíl H a O se snadno vypočítá jako
\(\begin{align} m_{\text{H}}& = \text{4 mol H }\cdot\dfrac{\text{1.008 g}}{\text{1 mol H}}\text{ = 4,032 g} \\ { } \\ \text{ }\%\text{ H } & = \dfrac{\text{4,032 g}}{\text{80,05 g}} \cdot \text{ 100 }\%\text{ = 5,04 }\%\ \\ { } \\ m_{\text{O}}& = \text{3 mol O }\cdot \dfrac{\text{16,00 g}}{\text{1 mol O}} \text{ = 48,00 g} \\ { } \\ \%\text{ O } & = \dfrac{\text{48,00 g}}{\text{80,05 g}}\text{ }\cdot \text{ 100 }\%\text{ = 59,96 }\%\text{ } \end{align}\)
Ačkoli to není nezbytně nutné k zodpovězení úlohy, poslední dvě procenta umožňují kontrolu výsledků. Celkový výsledek \(35,00 + 5,04\% + 59,96\% = 100,00\%\) je správný. Podobné výpočty pro NaNO3 a NH3 dávají 16,48 %, resp. 82,24 % dusíku. Zemědělec, který se vyzná v chemii, volí amoniak!“
Přispěvatelé a příspěvky
-
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff a Adam Hahn.
.