A higany és a bróm közötti kémiai reakció mikroszkópos szemléletét mutattuk be. Az egyenlet
| \ | \ | \ |
 |
 |
_Bromide_Rotated.png?revision=1&size=bestfit&width=136&height=94) |
 |
 |
 |
ugyanazt az eseményt kémiai szimbólumokkal és képletekkel ábrázolja, míg az alábbi képek a makroszkopikus szemléletet ábrázolják. De hogyan tudja meg egy gyakorló kémikus, hogy mi történik a mikroszkopikus léptékben? Amikor egy reakciót először hajtunk végre, keveset tudunk a termékek mikroszkopikus természetéről. Ezért szükséges az újonnan szintetizált anyag összetételének és képletének kísérleti úton történő meghatározása.
Egy ilyen eljárás első lépése általában a reakció termékeinek szétválasztása és tisztítása. Például, bár a higany brómmal való kombinációja során főként higanybromid keletkezik, gyakran képződik egy kis higanybromid is. A higanyos bromid és a higanyos bromid keveréke olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek eltérnek a tiszta HgBr2 mintától, ezért a Hg2Br2-t el kell távolítani. A Hg2Br2 alacsony vízben való oldhatósága lehetővé tenné a tisztítást átkristályosítással. A terméket kis mennyiségű forró vízben fel lehetne oldani, és a nem oldott Hg2Br2 eltávolítása érdekében szűrni lehetne. Lehűtés és a víz részleges elpárologtatása után viszonylag tiszta HgBr2 kristályok képződnének.
A tiszta termék előállítása után az anyagot fizikai és kémiai tulajdonságai alapján azonosítani lehet. A higany brómmal való reakciója fehér kristályokat eredményez, amelyek 236°C-on olvadnak. A keletkező folyadék 322°C-on forr. Mivel két elem egyesítésével keletkezik, a termék vegyület. Ha összehasonlítjuk a tulajdonságait egy kézikönyvvel vagy adattáblázattal, arra a következtetésre jutunk, hogy ez a higanybromid.
De tegyük fel, hogy te voltál az első, aki elkészítette a higanybromidot. Akkor még nem léteztek olyan táblázatok, amelyek a tulajdonságait sorolták volna fel, és így hogyan tudtad volna megállapítani, hogy a képlete HgBr2 legyen? Az egyik válasz a mennyiségi analízis – a vegyületben lévő egyes elemek tömegszázalékos arányának meghatározása. Az ilyen adatokat általában százalékos összetételként közlik.
Példa \(\PageIndex{1}\): százalékos összetétel
Ha 10,0 g higany elegendő mennyiségű brómmal reagál, 18,0 g tiszta vegyület keletkezik. Számítsuk ki a százalékos összetételt ezekből a kísérleti adatokból.
Az oldat:
A higany százalékos aránya a higany tömege osztva a vegyület teljes tömegével szorozva 100 százalékkal:
\
A vegyület maradék része (18.0 g – 10 g = 8,0 g) bróm:
\
Ellenőrzésképpen ellenőrizzük, hogy a százalékok összege 100:
\
Hogy a százalékos összetételű adatokból megkapjuk a képletet, meg kell találnunk, hány brómatom jut egy higanyatomra. Makroszkopikus léptékben ez megfelel a bróm mennyiségének és a higany mennyiségének arányának. Ha a képlet HgBr2, akkor ez nemcsak azt jelzi, hogy egy higanyatomra két brómatom jut, hanem azt is, hogy 1 mol higanyatomra 2 mol brómatom jut. Vagyis a bróm mennyisége kétszerese a higany mennyiségének. A bróm és a higany mennyiségének arányában (2:1) szereplő számok a bróm és a higany indexei a képletben.
Példa \(\PageIndex{2}\) : Képlet
Meghatározzuk annak a vegyületnek a képletét, amelynek százalékos összetételét az előző példában kiszámítottuk.
Feloldás:
Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy 100 g vegyületünk van. Ebből 55,6 g (55,6%) higany és 44,4 g bróm. Mindegyik tömeget át lehet számítani egy-egy anyagmennyiségre
\(\begin{align} & n_{\text{Hg}}=\text{55,6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200,59 g}} =\text{0,277 mol Hg}} \\ { } \\ & n_{\text{Hg}}=\text{44.4 g}\cdot \dfrac{\text{\text{1 mol Br}}{\text{79.90 g}} =\text{0.556 mol Br} \end{align}\)
A nagyobb mennyiséget elosztva a kisebbel, megkapjuk
\
A 2,01 mol Br és 1 mol Hg aránya azt is jelenti, hogy 1 Hg atomra 2,01 Br atom jut. Ha az atomelmélet helyes, akkor nem létezik 0,01 Br atom; ráadásul a mi számaink csak három szignifikáns számjegyig jók. Ezért a 2,01-et 2-re kerekítjük, és a képletet HgBr2.
Példa \(\PageIndex{3}\):
Egy higanybromid összetétele 71,5% Hg, 28,5% Br. Keresse meg a képletét.
Solution:
Tételezzünk fel ismét egy 100 g-os mintát, és számítsuk ki az egyes elemek mennyiségét:
\(\begin{align} & n_{\text{Hg}}=\text{71}\text{.5 g}\cdot \dfrac{\text{\text{1 mol Hg}}{\text{200.59 g}} = \text{0.356 mol Hg}} \\ { } \\ & n_{\text{Hg}}=\text{28.5 g}\cdot \dfrac{\text{\text{1 mol Br}}{\text{79.90 g}} =\text{0.357 mol Br} \end{align}\)
Az arány
\
A képletet tehát HgBr.
A példa \(\PageIndex{3}\) során kapott képlet nem felel meg a már tárgyalt két higanybromid egyikének sem. Talán egy harmadikról van szó? A válasz nem, mert módszerünkkel csak a Br és a Hg arányát tudjuk meghatározni. Az 1:1 arány ugyanaz, mint a 2:2, és így a módszerünk ugyanazt az eredményt fogja adni a HgBr vagy a Hg2Br2 (vagy a Hg7Br7, ha létezik ilyen) esetében. Az ezzel a módszerrel meghatározott képletet empirikus képletnek vagy legegyszerűbb képletnek nevezzük. Esetenként, mint a higanybromid esetében, az empirikus képlet eltér a tényleges molekuláris összetételtől, vagy a molekuláris képlettől. A molekulatömeg kísérleti meghatározása a százalékos összetétel mellett lehetővé teszi a molekuláris képlet kiszámítását.
Példa \(\PageIndex{4}\):
Egy vegyület, amelynek molekulatömege 28, 85,6% C-ot és 14,4% H-t tartalmaz. Határozza meg az empirikus és a molekuláris képletét.
Megoldás:
\(\begin{align}\) & 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}\)
\
Az empirikus képlet tehát CH2. Az empirikus képletnek megfelelő molekulatömeg
\
Mivel a kísérleti molekulatömeg kétszerese, minden indexet meg kell duplázni, és a molekula képlete C2H4.
A mennyiségek aránya esetenként nem egész szám.
Példa \(\PageIndex{5}\):
Az aszpirin 60,0% C-t, 4,48% H-t és 35,5% O-t tartalmaz. Mi az empirikus képlete?
Megoldás:
\(\begin{align} & n_{\text{H}}=\text{14,4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol H}}{\text{1,008 g}} =\text{14,3 mol H}} \\ { } \\\& n_{\text{C}}=\text{85.6 g}\cdot \dfrac{\text{\text{1 mol C}}{\text{12.01 g}} =\text{7.13 mol C}} \\ { } \\ & n_{\text{O}}=\text{35.5 g}\cdot \dfrac{\text{\text{1 mol O}}{\text{16.00 g}} =\text{2.22 mol O} \end{align}\)
Elosztjuk mindhármat a legkisebb anyagmennyiséggel
\(\begin{align} & \dfrac{n_{\text{C}}}{n_{\text{O}}} = \dfrac{\text{\text{5.00 mol C}}{\text{2.22 mol O}} =\dfrac{\text{2.25 mol H}}{\text{1 mol O}}} \\ { } \\ & \dfrac{n_{\text{H}}{n_{\text{O}}}=\dfrac{\text{4.44 mol H}}{\text{2.22 mol O}}= \dfrac{\text{2.00 mol H}}{\text{1 mol O}} \end{align}\)
Láthatóan kétszer annyi H atom van, mint O atom, de a C és O aránya nem ilyen egyértelmű. A 2,25-öt át kell alakítanunk kis egész számok arányává. Ezt úgy tehetjük meg, hogy a tizedesvessző utáni számokat törtre változtatjuk. Ebben az esetben a .25 \(\kis \dfrac{1}{4}\) lesz. Így \( 2.25 = 2 \kicsi\dfrac{1}{4} \normalsize = \tfrac{\text{9}}{\text{4}}\), és
\
Azt is leírhatjuk, hogy
\
Az empirikus képlet tehát C9H8O4.
Mihelyt valaki meghatároz egy képletet – empirikus vagy molekuláris -, más is elvégezheti a fordított számítást. A tömegszázalékos összetétel megtalálása a képletből gyakran igen informatívnak bizonyul, amint azt a következő példa is mutatja.
Példa \(\PageIndex{6}\): A növények betakarításakor a talajból kivont nitrogén pótlására a NaNO3 (nátrium-nitrát), az NH4NO3 (ammónium-nitrát) és az NH3 (ammónia) vegyületeket használják műtrágyaként. Ha egy gazdálkodó mindegyiket ugyanannyiért vehetné grammonként, melyik lenne a legjobb üzlet? Más szóval, melyik vegyület tartalmazza a legnagyobb százalékban a nitrogént?
Az oldat
A részletes számítást csak az NH4NO3 esetére mutatjuk be.
1 mol NH4NO3 2 mol N-t, 4 mol H-t és 3 mol O-t tartalmaz. A moláris tömeg tehát
\
Egy 1 molos minta tömege 80 mázsa lenne.05 g. A benne lévő 2 mol N tömege
\
Ezért az N százalékos aránya
\
A H és O százalékos aránya könnyen kiszámítható
\(\begin{align} m_{\text{H}}& = \text{4 mol H }\cdot\dfrac{text{1.008 g}}{\text{1 mol H}}\text{ = 4.032 g} \\ { } \\ \ \text{%\text{ H } & = \dfrac{\text{4,032 g}}{\text{80,05 g}} \cdot \text{ 100 }\%\text{ = 5.04 }\%\ \\\ { } \\\ m_{\text{O}}& = \text{3 mol O }\cdot \dfrac{\text{16.00 g}}{\text{1 mol O}} \text{ = 48.00 g} \\ { } \\ \%\text{ O } & = \dfrac{\text{48.00 g}}{\text{80.05 g}}\text{ }\cdot \text{ 100 }\%\text{ = 59.96 }\%\text{ } \end{align}\)
Noha a feladat megválaszolásához nem feltétlenül szükséges, az utóbbi két százalékos érték az eredmények ellenőrzésére szolgál. A végösszeg \(35,00 + 5,04\% + 59,96\% = 100,00\%\) úgy, ahogy kell. Hasonló számítások NaNO3 és NH3 esetében 16,48%, illetve 82,24% nitrogént adnak. A farmer, aki ért a kémiához, az ammóniát választja!
Megosztók és hozzászólások
-
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff, és Adam Hahn.