Olemme esittäneet mikroskooppisen näkymän elohopean ja bromin välisestä kemiallisesta reaktiosta. Yhtälö
| \ | \ | \ |
 |
 |
_Bromide_Rotated.png?revision=1&size=bestfit&width=136&height=94) |
 |
 |
 |
esittää saman tapahtuman kemiallisten symbolien ja kaavojen avulla, kun taas alla olevat kuvat edustavat makroskooppista näkymää. Mutta miten käytännön kemisti saa selville, mitä mikroskooppisessa mittakaavassa tapahtuu? Kun reaktio suoritetaan ensimmäistä kertaa, tuotteiden mikroskooppisesta luonteesta tiedetään vain vähän. Siksi on tarpeen määrittää kokeellisesti vasta syntetisoidun aineen koostumus ja kaava.
Ensimmäinen vaihe tällaisessa menettelyssä on yleensä reaktiotuotteiden erottaminen ja puhdistaminen. Vaikka esimerkiksi elohopean ja bromin yhdistäminen tuottaa pääasiassa elohopeabromidia, muodostuu usein myös hieman elohopeabromidia. Elohopeabromidin ja elohopeabromidin seoksella on ominaisuuksia, jotka eroavat puhtaasta HgBr2-näytteestä, joten Hg2Br2 on poistettava. Hg2Br2:n alhainen liukoisuus veteen mahdollistaisi puhdistuksen uudelleenkiteyttämällä. Tuote voitaisiin liuottaa pieneen määrään kuumaa vettä ja suodattaa liukenemattoman Hg2Br2:n poistamiseksi. Jäähdytyksen ja veden osittaisen haihduttamisen jälkeen muodostuisi suhteellisen puhdasta HgBr2:ta sisältäviä kiteitä.
Kun puhdas tuote on saatu, voi olla mahdollista tunnistaa aine sen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Elohopean ja bromin reaktiossa syntyy valkoisia kiteitä, jotka sulavat 236 °C:ssa. Muodostuva neste kiehuu 322 °C:ssa. Koska se on syntynyt yhdistämällä kaksi alkua, tuote on yhdiste. Verrattaessa sen ominaisuuksia käsikirjaan tai tietotaulukkoon voidaan päätellä, että kyseessä on elohopeabromidi.
Mutta oletetaan, että olisit ensimmäinen henkilö, joka on koskaan valmistanut elohopeabromidia. Silloin ei ollut olemassa taulukoita, joissa olisi lueteltu sen ominaisuuksia, joten miten voisit päätellä, että kaavan pitäisi olla HgBr2? Yksi vastaus on kvantitatiivinen analyysi – kunkin alkuaineen massaprosentin määrittäminen yhdisteessä. Tällaiset tiedot ilmoitetaan yleensä prosentuaalisena koostumuksena.
Esimerkki \(\PageIndex{1}\): Prosentuaalinen koostumus
Kun 10,0 g elohopeaa reagoi riittävän määrän bromin kanssa, muodostuu 18,0 g puhdasta yhdistettä. Laske prosentuaalinen koostumus näiden kokeellisten tietojen perusteella.
Liuos:
Elohopean prosenttiosuus on elohopean massa jaettuna yhdisteen kokonaismassalla kertaa 100 prosenttia:
\
Yhdisteen jäännös (18.0 g – 10 g = 8,0 g) on bromia:
\
Varmennetaan varmuuden vuoksi, että prosenttiluvut summautuvat sataan:
\
Voidaksemme saada kaavan prosentuaalisen koostumuksen tiedoista, meidän on selvitettävä, kuinka monta bromiatomia on yhtä elohopea-atomia kohti. Makroskooppisessa mittakaavassa tämä vastaa bromin määrän suhdetta elohopean määrään. Jos kaava on HgBr2, se osoittaa, että elohopea-atomia kohti on kaksi bromiatomia ja että elohopea-atomia kohti on 2 mol bromiatomeja. Toisin sanoen bromin määrä on kaksinkertainen elohopean määrään verrattuna. Numerot bromin määrän ja elohopean määrän suhteessa (2:1) ovat bromin ja elohopean alaviitteet kaavassa.
Esimerkki \(\PageIndex{2}\) : Kaava
Määritä kaava yhdisteelle, jonka prosentuaalinen koostumus laskettiin edellisessä esimerkissä.
Liuos:
Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että yhdistettä on 100 g. Tästä 55,6 g (55,6 %) on elohopeaa ja 44,4 g on bromia. Kukin massa voidaan muuntaa ainemääräksi
\(\begin{align}) & n_{\\text{Hg}}=\text{55.6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200.59 g}} =\text{0.277 mol Hg}} \\ { } \\\ & n_{\text{Hg}}=\text{44.4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Br}}{\text{79.90 g}} =\text{0.556 mol Br}} \end{align}\)
Jakaessamme suuremman määrän pienemmällä saadaan
\
Suhde 2,01 mol Br:ää 1 mol Hg:ää kohti tarkoittaa myös, että yhtä Hg-atomia kohti on 2,01 Br-atomia. Jos atomiteoria pitää paikkansa, ei ole olemassa 0,01 Br-atomia; lisäksi lukumme ovat hyviä vain kolmen merkitsevän numeron tarkkuudella. Siksi pyöristämme 2,01 kahteen ja kirjoitamme kaavan muotoon HgBr2.
Esimerkki \(\PageIndex{3}\): Kaavan laskeminen
Elohopean bromidin koostumus on 71,5 % Hg, 28,5 % Br. Etsi sen kaava.
Liuos:
Oletetaan taas 100 g:n näyte ja lasketaan kunkin alkuaineen määrä:
\(\begin{align} & n_{\\text{Hg}}=\text{71}\text{.5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200.59 g}} = \text{0.356 mol Hg}} \\ { } \\\ & n_{\text{Hg}}=\text{28.5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Br}}{\text{79.90 g}} =\text{0.357 mol Br}} \end{align}\)
Suhde on
\
Antaisimme siis kaavan HgBr.
Esimerkissä \(\PageIndex{3}\) saatu kaava ei vastaa kumpaakaan kahdesta jo käsittelemästämme elohopeabromidista. Onko se jokin kolmas? Vastaus on ei, koska menetelmämme voi määrittää vain Br:n ja Hg:n suhteen. Suhde 1:1 on sama kuin 2:2, joten menetelmämme antaa saman tuloksen HgBr:lle tai Hg2Br2:lle (tai Hg7Br7:lle, jos sellainen on olemassa). Tällä menetelmällä määritettyä kaavaa kutsutaan empiiriseksi kaavaksi tai yksinkertaisimmaksi kaavaksi. Toisinaan, kuten elohopeabromidin tapauksessa, empiirinen kaava eroaa todellisesta molekyylikoostumuksesta eli molekyylikaavasta. Molekyylipainon kokeellinen määrittäminen prosentuaalisen koostumuksen lisäksi mahdollistaa molekyylikaavan laskemisen.
Esimerkki \(\PageIndex{4}\):
Yhdiste, jonka molekyylipaino on 28, sisältää 85,6 %:a C:tä ja 14,4 %:a H:ta. Määritä sen empiirinen ja molekyylikaava.
Liuos:
\(\begin{align}\) & 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{\text{1 mol H}}{\text{1.008 g}} =\text{14.3 mol H}} \end{align}\)
\
Empiirinen kaava on siis CH2.
Aspiriini sisältää 60,0 % C:tä, 4,48 % H:ta ja 35,5 % O:ta. Mikä on sen empiirinen kaava?
Ratkaisu:
\(\begin{align} & n_{\\text{H}}=\text{14.4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol H}}{\text{1.008 g}} =\text{14.3 mol H}} \\ { } \\\& n_{\text{C}}=\text{85.6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol C}}{\text{12.01 g}} =\text{7.13 mol C}} \\ { } \\\ & n_{\text{O}}=\text{35.5 g}\cdot \dfrac{\text{\text{1 mol O}}{\text{16.00 g}} =\text{2.22 mol O}} \end{align}\)
Jaa kaikki kolme pienimmällä ainemäärällä
\(\begin{align} & \dfrac{n_{\text{C}}}{n_{\text{O}}} = \dfrac{\text{\text{5.00 mol C}}{\text{2.22 mol O}} =\dfrac{\text{2.25 mol H}}{\text{1 mol O}}} \\ { } \\\ & \dfrac{n_{\text{H}}{n_{\text{O}}}=\dfrac{\text{4.44 mol H}}{\text{2.22 mol O}}= \dfrac{\text{2.00 mol H}}{\text{1 mol O}} \end{align}\)
On selvää, että H-atomeja on kaksi kertaa enemmän kuin O-atomeja, mutta C:n ja O:n suhde ei ole niin selvä. Meidän on muunnettava 2,25 pienten kokonaislukujen suhteeksi. Tämä voidaan tehdä muuttamalla desimaalipisteen jälkeiset luvut murtoluvuiksi. Tässä tapauksessa .25:stä tulee \(\pieni \dfrac{1}{4}\). Näin ollen \( 2.25 = 2 \small\dfrac{1}{4} \normalsize = \tfrac{\text{9}}{\text{4}}\), ja
\
Voidaan myös kirjoittaa
\
Tällöin empiirinen kaava on C9H8O4.
Kun joku on määritellyt kaavan – empiirisen tai molekyylikaavan – on jonkun toisen mahdollista tehdä käänteinen laskutoimitus. Painoprosenttikoostumuksen löytäminen kaavasta osoittautuu usein varsin informatiiviseksi, kuten seuraava esimerkki osoittaa.
Esimerkki \(\PageIndex{6}\): Lannoitteina käytetään yhdisteitä NaNO3 (natriumnitraatti), NH4NO3 (ammoniumnitraatti) ja NH3 (ammoniakki), jotta maaperästä kasvien sadonkorjuun yhteydessä poistuvaa typpeä voidaan korvata. Jos maanviljelijä voisi ostaa kumpaakin samaan grammakohtaiseen hintaan, mikä niistä olisi edullisin? Toisin sanoen, mikä yhdiste sisältää eniten typpeä?
Liuos
Näytämme yksityiskohtaisen laskennan vain NH4NO3:n tapauksessa.
1 mol NH4NO3 sisältää 2 mol N, 4 mol H ja 3 mol O. Molaarinen massa on näin ollen
\
1-molinen näyte painaisi 80.05 g. Sen sisältämän 2 mol N:n massa on
\
Siten N:n prosentuaalinen osuus on
\
H:n ja O:n prosentuaaliset osuudet on helppo laskea kaavalla
\(\begin{align} m_{{\text{H}}}& = \text{4 mol H } \cdotἕ{dfrac🅛 m_{{³”H}}& = \text{4 mol H } \cdot \dfrac🅛 m_{³”H{³”H}}&.008 g}}{\text{1 mol H}}\text{ = 4.032 g} \\ { } \\ \ \text{ \%\text{ H} & = \dfrac{\text{4.032 g}}{\text{80.05 g}} \cdot \text{ 100 }\%\text{ = 5.04 }\%\ \\\ { } \\\ m_{\text{O}}& = \text{3 mol O }\cdot \dfrac{\text{16.00 g}}{\text{1 mol O}} \text{ = 48.00 g} \\ { } \\ \ \%\text{ O} & = \dfrac{\text{48.00 g}}{\text{80.05 g}}\text{ }\cdot \text{ 100 }\%\text{ = 59.96 }\%\text{ } \end{align}\)
Kahden jälkimmäisen prosenttiosuuden avulla voidaan tarkistaa tulokset, vaikka niitä ei varsinaisesti tarvita tehtävän ratkaisemiseksi. Yhteensä \(35.00 + 5.04\% + 59.96\% = 100.00\%\) kuten pitääkin. Vastaavat laskelmat NaNO3:lle ja NH3:lle antavat 16,48 % ja 82,24 % typpeä. Maanviljelijä, joka tuntee kemiaa, valitsee ammoniakin!
Tekijät ja tekijät
-
Ed Vitz (Kutztownin yliopisto), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (Minnesotan Rochesterin yliopisto), Tim Wendorff ja Adam Hahn.