Apresentamos uma visão microscópica da reação química entre o mercúrio e o bromo. A equação
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representa o mesmo evento em termos de símbolos químicos e fórmulas, enquanto as fotos abaixo representam a vista macroscópica. Mas como é que um químico praticante descobre o que está a acontecer na escala microscópica? Quando uma reação é realizada pela primeira vez, pouco se sabe sobre a natureza microscópica dos produtos. Portanto, é necessário determinar experimentalmente a composição e fórmula de uma substância recentemente sintetizada.
O primeiro passo em tal procedimento é normalmente separar e purificar os produtos de uma reacção. Por exemplo, embora a combinação de mercúrio com bromo produza principalmente brometo mercúrico, muitas vezes também se forma um pouco de brometo mercuro. Uma mistura de brometo mercuro com brometo de mercúrio tem propriedades diferentes de uma amostra pura de HgBr2, por isso o Hg2Br2 deve ser removido. A baixa solubilidade do Hg2Br2 na água permitiria a purificação por recristalização. O produto poderia ser dissolvido em uma pequena quantidade de água quente e filtrado para remover o Hg2Br2 não dissolvido. Ao resfriar e evaporar parcialmente a água, cristais de HgBr2 relativamente puros formariam.
Após a obtenção de um produto puro, pode ser possível identificar a substância por meio de suas propriedades físicas e químicas. A reação do mercúrio com bromo produz cristais brancos que derretem a 236°C. O líquido que se forma ferve a 322°C. Como é feito pela combinação de dois elementos, o produto é um composto. Comparando suas propriedades com um manual ou tabela de dados leva à conclusão de que é brometo mercúrico.
Mas suponha que você foi a primeira pessoa a preparar brometo mercúrico. Não havia tabelas que listassem suas propriedades na época, e então como você poderia determinar que a fórmula deveria ser HgBr2? Uma resposta envolve análise quantitativa – a determinação da porcentagem por massa de cada elemento do composto. Tais dados são geralmente relatados como a composição percentual.
Exemplo \(\PageIndex{1}}): Composição percentual
Quando 10,0 g de mercúrio reage com bromo suficiente, 18,0 g de um composto puro é formado. Calcule a composição percentual a partir destes dados experimentais.
Solução:
A percentagem de mercúrio é a massa de mercúrio dividida pela massa total do composto vezes 100%:
O restante do composto (18.0 g – 10 g = 8,0 g) é bromo:
\
>
Como verificação, verifique se as percentagens se somam a 100:
\
Para obter a fórmula a partir dos dados de composição percentual, devemos encontrar quantos átomos de bromo existem por átomo de mercúrio. Numa escala macroscópica isto corresponde à razão entre a quantidade de bromo e a quantidade de mercúrio. Se a fórmula é HgBr2, não só indica que há dois átomos de bromo por átomo de mercúrio, como também diz que há 2 mol de átomos de bromo para cada 1 mol de átomos de mercúrio. Ou seja, a quantidade de bromo é o dobro da quantidade de mercúrio. Os números na relação entre a quantidade de bromo e a quantidade de mercúrio (2:1) são os subscritos de bromo e mercúrio na fórmula.
Exemplo \(\PageIndex{2}\) : Fórmula
Determinar a fórmula para o composto cuja composição percentual foi calculada no exemplo anterior.
Solução:
Por conveniência, assumir que temos 100 g do composto. Destes, 55,6 g (55,6%) é mercúrio e 44,4 g é bromo. Cada massa pode ser convertida em uma quantidade de substância
\(\begin{align} & n_text{{Hg}=text{55.6 g}cdot {1 mol Hg}}{1 mol Hg}{200.59 g} =text{0.277 mol Hg} \\ { } \\ 2073> n_text{Hg}=text{44.4 g}cdot {1 mol Br}}{79.90 g} =text{0.556 mol Br} \Fim (alinhamento))
Dividindo a maior quantidade pela menor, temos
A razão 2,01 mol Br para 1 mol Hg também implica que há 2,01 átomos de Br por 1 Hg de átomo. Se a teoria atômica estiver correta, não existe tal coisa como 0,01 Br de átomo; além disso, nossos números são apenas bons para três números significativos. Portanto arredondamos 2,01 para 2 e escrevemos a fórmula como HgBr2.
Exemplo \(\PageIndex{3}}): Cálculo da fórmula
Um brometo de mercúrio tem a composição de 71,5% Hg, 28,5% Br. Encontre sua fórmula.
Solução:
Ganho assumir uma amostra de 100g e calcular a quantidade de cada elemento:
\(\begin{alinhamento} & n_text{{Hg}=text{71}=text{.5 g}cdot dfrac{1 mol Hg}}{1 mol Hg}=text{200.59 g}=text{0.356 mol Hg} \\ { } \\ 2073> n_text{Hg}=text{28.5 g}cdot {1 mol Br}}{79.90 g} =text{0.357 mol Br} \Fim (alinhamento))
A razão é
Damos portanto a fórmula HgBr.
A fórmula obtida em Exemplo \(\PageIndex{3}) não corresponde a nenhum dos dois brometos de mercúrio que já discutimos. É um terceiro? A resposta é não porque nosso método só pode determinar a proporção de Br para Hg. A razão 1:1 é a mesma que 2:2, e assim o nosso método dará o mesmo resultado para HgBr ou Hg2Br2 (ou Hg7Br7, já agora, caso exista). A fórmula determinada por este método é chamada de fórmula empírica ou fórmula mais simples. Ocasionalmente, como no caso do brometo mercuro, a fórmula empírica difere da composição molecular real, ou da fórmula molecular. A determinação experimental do peso molecular em adição à composição percentual permite o cálculo da fórmula molecular.
Exemplo \(\PageIndex{4}}:
Um composto cujo peso molecular é 28 contém 85,6% C e 14,4% H. Determine suas fórmulas empírica e molecular.
Solução:
\(\begin{align} & n_text{{C}=text{85.6 g}cdot {1 mol C}}{12.01 g}} =text{7.13 mol C} \\ { } \\ n_texto (H) =texto (14,4 g) cdot {1 mol H}} =texto (14,3 mol H) \Fim (alinhamento))
A fórmula empírica é portanto CH2. O peso molecular correspondente à fórmula empírica é
Desde que o peso molecular experimental é o dobro, todos os subscritos devem ser duplicados e a fórmula molecular é C2H4.
Ocasionalmente a razão das quantidades não é um número inteiro.
Exemplo \(\PageIndex{5}\PageIndex{5}): Fórmula Empírica
Aspirina contém 60,0% C, 4,48% H, e 35,5% O. Qual é a sua fórmula empírica?
Solução:
(\begin{alinhamento} & n_text{H}=text{14.4 g}cdot |frac{1 mol H}}{1.008 g} =text{14.3 mol H} \\ { } \\
Dividir os três pela menor quantidade de substância
(begin{align}} & {n_text{{C}}{n_text{O}} = {5.00 mol C}{2.22 mol O} = =dfrac{2.25 mol H}}{1 mol O}} \\ { } \\ 2073 &dfrac{n_text{H}}{n_text{O}=dfrac{4.44 mol H}{2.22 mol O}= {2.22 mol O}=dfrac{2.00 mol H}{1 mol O} \Fim (alinhamento)
Claramente há duas vezes mais átomos H do que átomos O, mas a proporção de C para O não é tão óbvia. Temos de converter 2,25 para uma razão de pequenos números inteiros. Isto pode ser feito alterando os números após o ponto decimal para uma fração. Neste caso, .25 se torna um pequeno fragmento de O. Assim, \( 2,25 = 2 \frac{1}{4} \frac{9}{9}}{4}), e
Também podemos escrever
Assim, a fórmula empírica é C9H8O4.
Após alguém ter determinado uma fórmula -empírica ou molecular – é possível que outra pessoa faça o cálculo inverso. Encontrar a composição por percentagem de peso a partir da fórmula muitas vezes revela-se bastante informativo, como mostra o exemplo seguinte.
Exemplo \(\PageIndex{6}}): Porcentagem de Nitrogênio
Para repor o nitrogênio removido do solo quando as plantas são colhidas, os compostos NaNO3 (nitrato de sódio), NH4NO3 (nitrato de amônio) e NH3 (amônia) são usados como fertilizantes. Se um agricultor pudesse comprar cada um pelo mesmo custo por grama, qual seria a melhor pechincha? Em outras palavras, qual composto contém a maior porcentagem de nitrogênio?
Solução
Mostraremos o cálculo detalhado somente para o caso do NH4NO3.
1 mol NH4NO3 contém 2 mol N, 4 mol H, e 3 mol O. A massa molar é assim
\
A amostra de 1-mol pesaria 80.05 g. A massa de 2 mol N que contém é
Por isso a percentagem de N é
As percentagens de H e O são facilmente calculadas como
(\begin{align} m_{\text{H}}& = \text{4 mol H }cdot{\frac{\frac{\frac{\frac}1.008 g}{{1 mol H}text{ = 4.032 g} \\ { } \\ texto… & = {{4.032 g}}{80.05 g}}{80.05 g}} \100%texto \\ m_text_2073> = {3 mol O }cdot {16.00 g}}{1 mol O} \Texto (= 48.00 g) \\ { } \\ O texto (O) & =dfrac{{48.00 g}{80.05 g}text{80.05 g}text{100 {100 }%text{59.96 {59.96 }%text{} \Fim (alinhamento))
Embora não seja estritamente necessário para responder ao problema, as duas últimas percentagens fornecem uma verificação dos resultados. O total {35,00 + 5,04\% + 59,96\% = 100,00\%} como deve ser. Cálculos semelhantes para NaNO3 e NH3 produzem 16,48% e 82,24% de nitrogênio, respectivamente. O agricultor que conhece a química escolhe o amoníaco!
Contribuintes e Atribuições
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Ed Vitz (Universidade de Kutztown), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Faculdade da Esperança), Xavier Prat-Resina (Universidade de Minnesota Rochester), Tim Wendorff, e Adam Hahn.