Vi har presenterat en mikroskopisk bild av den kemiska reaktionen mellan kvicksilver och brom. Ekvationen
| \ | \ | \ | |
 |
 |
_Bromide_Rotated.png?revision=1&size=bestfit&width=136&height=94) |
|
 |
 |
 |
återger samma händelse i termer av kemiska symboler och formler, medan bilderna nedan representerar den makroskopiska vyn. Men hur tar en praktiserande kemist reda på vad som sker på den mikroskopiska skalan? När en reaktion utförs för första gången vet man inte mycket om produkternas mikroskopiska karaktär. Det är därför nödvändigt att experimentellt bestämma sammansättningen och formeln för ett nyss syntetiserat ämne.
Det första steget i ett sådant förfarande är vanligtvis att separera och rena reaktionens produkter. Även om t.ex. kombinationen av kvicksilver med brom huvudsakligen ger kvicksilverbromid bildas ofta också lite kvicksilverbromid. En blandning av kvicksilverbromid och kvicksilverbromid har andra egenskaper än ett rent prov av HgBr2, och därför måste Hg2Br2 avlägsnas. Den låga lösligheten hos Hg2Br2 i vatten skulle tillåta rening genom omkristallisering. Produkten skulle kunna lösas upp i en liten mängd varmt vatten och filtreras för att avlägsna olöst Hg2Br2. Vid avkylning och partiell avdunstning av vattnet skulle kristaller av relativt rent HgBr2 bildas.
När en ren produkt har erhållits kan det vara möjligt att identifiera ämnet med hjälp av dess fysikaliska och kemiska egenskaper. Reaktionen av kvicksilver med brom ger vita kristaller som smälter vid 236 °C. Den vätska som bildas kokar vid 322 °C. Eftersom den framställs genom att kombinera två grundämnen är produkten en förening. En jämförelse av dess egenskaper med en handbok eller en tabell med data leder till slutsatsen att det är kvicksilverbromid.
Men anta att du var den första personen som någonsin framställde kvicksilverbromid. Då fanns det inga tabeller som angav dess egenskaper, så hur skulle du kunna avgöra att formeln borde vara HgBr2? Ett svar inbegriper kvantitativ analys – bestämning av massprocenten av varje grundämne i föreningen. Sådana uppgifter rapporteras vanligtvis som den procentuella sammansättningen.
Exempel \(\PageIndex{1}\): Procentuell sammansättning
När 10,0 g kvicksilver reagerar med tillräckligt mycket brom bildas 18,0 g av en ren förening. Beräkna den procentuella sammansättningen utifrån dessa experimentella data.
Lösning:
Den procentuella andelen kvicksilver är massan av kvicksilver dividerad med den totala massan av föreningen gånger 100 procent:
\
Resten av föreningen (18.0 g – 10 g = 8,0 g) är brom:
\
Som en kontroll, verifiera att procentandelarna adderas till 100:
\
För att få fram formeln från uppgifter om procentuell sammansättning måste vi hitta hur många bromatomer det finns per kvicksilveratom. På en makroskopisk skala motsvarar detta förhållandet mellan mängden brom och mängden kvicksilver. Om formeln är HgBr2 anger den inte bara att det finns två bromatomer per kvicksilveratom, den säger också att det finns 2 mol bromatomer för varje 1 mol kvicksilveratomer. Det betyder att mängden brom är dubbelt så stor som mängden kvicksilver. Siffrorna i förhållandet mellan mängden brom och mängden kvicksilver (2:1) är de nedanstående beteckningarna för brom och kvicksilver i formeln.
Exempel \(\PageIndex{2}\) : Formel
Bestäm formeln för den förening vars procentuella sammansättning beräknades i föregående exempel.
Lösning:
För enkelhetens skull antar vi att vi har 100 g av föreningen. Av detta är 55,6 g (55,6 %) kvicksilver och 44,4 g brom. Varje massa kan omvandlas till en mängd substans
\(\begin{align} & n_{\text{Hg}}=\text{55.6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200.59 g}}} =\text{0.277 mol Hg} \\ { } \\ \\73> n_{\text{Hg}}=\text{44.4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Br}}{\text{79.90 g}} =\text{0.556 mol Br} \end{align}\)
Dividerar vi den större mängden med den mindre får vi
\
Förhållandet 2,01 mol Br till 1 mol Hg innebär också att det finns 2,01 Br-atomer per 1 Hg-atom. Om atomteorin är korrekt finns det inte något sådant som 0,01 Br-atom; dessutom är våra siffror bara bra med tre signifikanta siffror. Därför avrundar vi 2,01 till 2 och skriver formeln som HgBr2.
Exempel \(\PageIndex{3}\): Formelberäkning
En kvicksilverbromid har sammansättningen 71,5 % Hg, 28,5 % Br. Hitta dess formel.
Lösning:
Anta återigen ett prov på 100 g och beräkna mängden av varje grundämne:
\(\begin{align} & n_{\text{Hg}}=\text{71}\text{.5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Hg}}{\text{200.59 g}} = \text{0.356 mol Hg} \\ { } & n_{\text{Hg}}=\text{28.5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol Br}}{\text{79.90 g}} =\text{0.357 mol Br} \end{align}\)
Förhållandet är
Vi skulle därför tilldela formeln HgBr.
Formeln som erhålls i exempel \(\PageIndex{3}\) motsvarar inte någon av de två kvicksilverbromiderna som vi redan har diskuterat. Är det en tredje? Svaret är nej eftersom vår metod endast kan bestämma förhållandet mellan Br och Hg. Förhållandet 1:1 är detsamma som 2:2, och därför kommer vår metod att ge samma resultat för HgBr eller Hg2Br2 (eller Hg7Br7, för den delen, om det skulle finnas). Den formel som bestäms med denna metod kallas den empiriska formeln eller den enklaste formeln. Ibland, som i fallet med kvicksilverbromid, skiljer sig den empiriska formeln från den faktiska molekylära sammansättningen eller molekylformeln. Experimentell bestämning av molekylvikten utöver den procentuella sammansättningen gör det möjligt att beräkna molekylformeln.
Exempel \(\PageIndex{4}\):
En förening vars molekylvikt är 28 innehåller 85,6 % C och 14,4 % H. Bestäm dess empiriska formel och molekylformel.
Lösning:
\(\begin{align} & n_{\text{C}}=\text{85.6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol C}}{\text{12.01 g}}} =\text{7.13 mol C} \\ { } & n_{\text{H}}}=\text{14.4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol H}}{\text{1.008 g}}} =\text{14.3 mol H}} \end{align}\)
\
Den empiriska formeln är därför CH2. Molekylvikten som motsvarar den empiriska formeln är
\
Då den experimentella molekylvikten är dubbelt så stor måste alla substitut fördubblas och molekylformeln är C2H4.
Från och till är förhållandet mellan mängderna inte ett helt tal.
Exempel \(\PageIndex{5}\): Empirisk formel
Aspirin innehåller 60,0 % C, 4,48 % H och 35,5 % O. Vad är dess empiriska formel?
Lösning:
\(\begin{align} & n_{\text{H}}=\text{14.4 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol H}}{\text{1.008 g}} =\text{14.3 mol H} \\ { } \\& n_{\text{C}}=\text{85.6 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol C}}{\text{12.01 g}} =\text{7.13 mol C} \\ { } & n_{\text{O}}=\text{35.5 g}\cdot \dfrac{\text{1 mol O}}{\text{16.00 g}} =\text{2.22 mol O} \end{align}\)
Divider alla tre med den minsta mängden ämne
\(\begin{align} & \dfrac{n_{{\text{C}}}{n_{\text{O}}} = \dfrac{\text{5.00 mol C}}}{\text{2.22 mol O}}} =\dfrac{\text{2.25 mol H}}{\text{1 mol O}}} \\ { } \\\2073> \dfrac{n_{\text{H}}}{n_{\text{O}}}=\dfrac{\text{4.44 mol H}}{\text{2.22 mol O}}= \dfrac{\text{2.00 mol H}}{\text{1 mol O}} \end{align}\)
Det är tydligt att det finns dubbelt så många H-atomer som O-atomer, men förhållandet mellan C och O är inte lika tydligt. Vi måste omvandla 2,25 till ett förhållande av små hela tal. Detta kan göras genom att ändra siffrorna efter decimaltecknet till en bråkdel. I det här fallet blir .25 till \(\small \dfrac{1}{4}\). Således \( 2,25 = 2 \small\dfrac{1}{4} \normalsize = \tfrac{\text{9}}}{\text{4}}}\), och
\
Vi kan också skriva
Därmed är den empiriska formeln C9H8O4.
När någon har bestämt en formel – empirisk eller molekylär – är det möjligt för någon annan att göra den omvända beräkningen. Att hitta viktprocentsammansättningen från formeln visar sig ofta vara ganska informativt, vilket följande exempel visar.
Exempel \(\PageIndex{6}\): Procent kväve
För att fylla på det kväve som avlägsnas från marken när växterna skördas används föreningarna NaNO3 (natriumnitrat), NH4NO3 (ammoniumnitrat) och NH3 (ammoniak) som gödselmedel. Om en lantbrukare skulle kunna köpa alla dessa gödselmedel till samma kostnad per gram, vilket skulle då vara det bästa erbjudandet? Med andra ord, vilken förening innehåller den största andelen kväve?
Lösning
Vi kommer att visa den detaljerade beräkningen endast för fallet NH4NO3.
1 mol NH4NO3 innehåller 2 mol N, 4 mol H och 3 mol O. Den molära massan är således
\
En 1-mol prov skulle väga 80.05 g. Massan av 2 mol N som det innehåller är
\
Därmed är den procentuella andelen N
\
Den procentuella andelen H och O kan enkelt beräknas på följande sätt
\\(\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}\)
Och även om de två sistnämnda procenttalen inte är nödvändiga för att besvara problemet, ger de två sistnämnda procenttalen en kontroll av resultaten. Summan \(35.00 + 5.04\% + 59.96\% = 100.00\%\) som den ska. Liknande beräkningar för NaNO3 och NH3 ger 16,48 % respektive 82,24 % kväve. Den jordbrukare som kan kemi väljer ammoniak!
Medarbetare och namn
-
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff och Adam Hahn.