Przedstawiliśmy mikroskopowy widok reakcji chemicznej między rtęcią a bromem. Równanie
 |
 |
_Bromide_Rotated.png?revision=1&size=bestfit&width=136&height=94) |
|
|
||
 |
 |
 |
przedstawia to samo zdarzenie w kategoriach symboli chemicznych i wzorów, podczas gdy zdjęcia poniżej przedstawiają widok makroskopowy. Ale jak praktykujący chemik może dowiedzieć się, co dzieje się w skali mikroskopowej? Kiedy reakcja jest przeprowadzana po raz pierwszy, niewiele wiadomo o mikroskopowej naturze produktów. Dlatego konieczne jest doświadczalne określenie składu i formuły nowo zsyntetyzowanej substancji.
Pierwszym krokiem w takiej procedurze jest zwykle rozdzielenie i oczyszczenie produktów reakcji. Na przykład, chociaż połączenie rtęci z bromem wytwarza głównie bromek rtęciowy, często powstaje również niewielka ilość bromku rtęciowego. Mieszanina bromku rtęciowego z bromkiem rtęciowym ma właściwości odmienne od czystej próbki HgBr2, a zatem Hg2Br2 musi zostać usunięty. Niska rozpuszczalność Hg2Br2 w wodzie pozwoliłaby na oczyszczenie przez rekrystalizację. Produkt mógłby zostać rozpuszczony w niewielkiej ilości gorącej wody i przefiltrowany w celu usunięcia nierozpuszczonego Hg2Br2. Po schłodzeniu i częściowym odparowaniu wody powstałyby kryształy stosunkowo czystego HgBr2.
Po otrzymaniu czystego produktu może być możliwe zidentyfikowanie substancji za pomocą jej właściwości fizycznych i chemicznych. W wyniku reakcji rtęci z bromem otrzymuje się białe kryształy, które topią się w temperaturze 236°C. Powstała ciecz wrze w temperaturze 322°C. Ponieważ powstaje ona z połączenia dwóch pierwiastków, produkt jest związkiem chemicznym. Porównanie jego właściwości z podręcznikiem lub tabelą danych prowadzi do wniosku, że jest to bromek rtęci.
Załóżmy jednak, że byłeś pierwszą osobą, która kiedykolwiek przygotowała bromek rtęci. Nie było tabel, które wymienione jego właściwości wtedy, a więc jak można określić, że wzór powinien być HgBr2? Jedną z odpowiedzi jest analiza ilościowa – określenie procentu masy każdego pierwiastka w związku. Takie dane są zwykle podawane jako skład procentowy.
Przykład: Percent Composition
Gdy 10,0 g rtęci reaguje z wystarczającą ilością bromu, powstaje 18,0 g czystego związku. Oblicz skład procentowy na podstawie tych danych doświadczalnych.
Roztwór:
Procentowa zawartość rtęci to masa rtęci podzielona przez całkowitą masę związku razy 100 procent:
Reszta związku (18.0 g – 10 g = 8.0 g) jest brom:
Jako sprawdzenie, sprawdzić, że procenty dodać do 100:
Aby uzyskać wzór z procentowych danych składu, musimy znaleźć, ile atomów bromu są na atom rtęci. W skali makroskopowej odpowiada to stosunkowi ilości bromu do ilości rtęci. Jeśli wzór jest HgBr2, to nie tylko wskazuje, że istnieją dwa atomy bromu na atom rtęci, ale również mówi, że istnieją 2 mol atomów bromu na każdy 1 mol atomów rtęci. Oznacza to, że ilość bromu jest dwa razy większa niż ilość rtęci. Liczby w stosunku ilości bromu do ilości rtęci (2:1) są subskryptów bromu i rtęci w formule.
Przykład : Wzór
Określ wzór związku, którego skład procentowy został obliczony w poprzednim przykładzie.
Rozwiązanie:
Dla wygody załóżmy, że mamy 100 g związku. Z tego 55,6 g (55,6%) to rtęć, a 44,4 g to brom. & n_{Hg}} = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 0,277 mol Hg} \\ { }
Dzieląc większą ilość przez mniejszą, mamy
Stosunek 2,01 mol Br do 1 mol Hg implikuje również, że na 1 atom Hg przypada 2,01 atomu Br. Jeśli teoria atomowa jest poprawna, nie ma czegoś takiego jak 0,01 atomu Br; ponadto, nasze liczby są dobre tylko do trzech cyfr znaczących. Dlatego zaokrąglamy 2,01 do 2 i zapisujemy wzór jako HgBr2.
Przykład: Obliczanie wzorów
Bromek rtęci ma skład 71,5% Hg, 28,5% Br. Znajdź jego wzór.
Roztwór:
Ponownie przyjmij próbkę o masie 100 g i oblicz ilość każdego pierwiastka:
(
Stosunek ten wynosi
Przypisalibyśmy zatem wzór HgBr.
Wzór otrzymany w przykładzie nie odpowiada żadnemu z dwóch bromków rtęci, które już omówiliśmy. Czy jest to jakiś trzeci z nich? Odpowiedź brzmi nie, ponieważ nasza metoda potrafi określić jedynie stosunek Br do Hg. Stosunek 1:1 jest taki sam jak 2:2, a więc nasza metoda da taki sam wynik dla HgBr lub Hg2Br2 (lub Hg7Br7, jeśli takowy istnieje). Wzór określony tą metodą nazywany jest wzorem empirycznym lub wzorem najprostszym. Niekiedy, jak w przypadku bromku rtęci, wzór empiryczny różni się od rzeczywistego składu cząsteczkowego lub wzoru cząsteczkowego. Doświadczalne wyznaczenie masy cząsteczkowej oprócz składu procentowego pozwala na obliczenie wzoru cząsteczkowego.
Przykład:
Związek, którego masa cząsteczkowa wynosi 28 zawiera 85,6% C i 14,4% H. Wyznacz jego wzór empiryczny i cząsteczkowy.
Rozwiązanie:
(^begin{align}). & n_{text{C}} = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = \\ { } \end{align}}
Wzór empiryczny to zatem CH2. Masa cząsteczkowa odpowiadająca wzorowi empirycznemu to
Ponieważ doświadczalna masa cząsteczkowa jest dwa razy większa, wszystkie indeksy muszą być podwojone, a wzór cząsteczkowy to C2H4.
Sporadycznie stosunek ilości nie jest liczbą całkowitą.
Przykład: Wzór empiryczny
Aspiryna zawiera 60,0% C, 4,48% H, i 35,5% O. Jaki jest jej wzór empiryczny?
Rozwiązanie:
(^begin{align} & n_{tekst{H}} = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = \\ { } \\ { } \end{align}})
Podziel wszystkie trzy przez najmniejszą ilość substancji
(\begin{align} & dfrac{n_{tekst{C}}}{n_{tekst{O}}} = dfrac{{tekst{5,00 mol C}}{{tekst{2,22 mol O}} = dfrac{tekst{2,25 mol H}}{{tekst{1 mol O}} \\ { } \} & \dfrac{n_{tekst{H}}}{n_{tekst{O}}}= \dfrac{{tekst{4,44 mol H}}{\tekst{2,22 mol O}}= \dfrac{tekst{2,00 mol H}}{\tekst{1 mol O}}.
Wyraźnie widać, że atomów H jest dwa razy więcej niż atomów O, ale stosunek C do O nie jest tak oczywisty. Musimy zamienić 2,25 na stosunek małych liczb całkowitych. Można to zrobić zamieniając cyfry po przecinku na ułamek. W tym przypadku .25 staje się \(\ małe \dfrac{1}{4}\). Tak więc ( 2.25 = 2 \mall \dfrac{1}{4} \normalsize = \tfrac{tekst{9}}{\tekst{4}}), i
Możemy również napisać
Wzór empiryczny to C9H8O4.
Gdy ktoś już określił wzór – empiryczny lub cząsteczkowy – możliwe jest, aby ktoś inny wykonał obliczenia odwrotne. Znalezienie składu procentowo-wagowego na podstawie wzoru często okazuje się dość pouczające, jak pokazuje poniższy przykład.
Przykład: Procent azotu
W celu uzupełnienia azotu usuniętego z gleby podczas zbiorów roślin, jako nawozy stosuje się związki NaNO3 (azotan sodu), NH4NO3 (azotan amonu) i NH3 (amoniak). Gdyby rolnik mógł kupić każdy z nich po tej samej cenie za gram, to który z nich byłby najlepszą okazją? Innymi słowy, który związek zawiera największy procent azotu?
Roztwór
Szczegółowe obliczenia pokażemy tylko dla przypadku NH4NO3.
1 mol NH4NO3 zawiera 2 mol N, 4 mol H i 3 mol O. Masa molowa wynosi więc
Próbka 1-molowa ważyłaby 80.05 g. Masa 2 molowego N, który zawiera, wynosi
Więc procentowa zawartość N wynosi
Procentowa zawartość H i O jest łatwa do obliczenia jako
m_{begin{align} m_{text{H}}& = ^tekst{4 mol H}}{1.008 g}}}{}text{1 mol H}} = 4.032 g} \\ { } \\ H } & = ™dfrac{{text{4.032 g}}}{}text{80.05 g}} = 5,04 } \\ m_{tekst{O}}& = \tekst{3 mol O} \cdot \dfrac{tekst{16.00 g}}{\tekst{1 mol O}} \text{ = 48,00 g} \\ { } \\ O } & = \dfrac{ tekst{48,00 g}}{ tekst{80,05 g}} \tekst{ = 59,96 } \end{align}})
Jakkolwiek nie jest to konieczne do rozwiązania zadania, dwa ostatnie procenty umożliwiają sprawdzenie wyników. Suma \(35,00 + 5,04 + 59,96 = 100,00 \) jest taka, jak powinna. Podobne obliczenia dla NaNO3 i NH3 dają odpowiednio 16,48% i 82,24% azotu. Rolnik znający chemię wybiera amoniak!
Współautorzy i przypisy
-
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff, and Adam Hahn.
.