Jak wyznaczyć wzór molekularny związku chemicznego?
Wzór molekularny związku wyznacza się w dwóch etapach: najpierw oblicza się wzór empiryczny, czyli najprostszy stosunek molowy atomów, a następnie – korzystając z masy molowej związku – ustala wzór rzeczywisty. Wzór molekularny jest całkowitą wielokrotnością wzoru empirycznego.
Wzór empiryczny a wzór molekularny
Wzór empiryczny, nazywany też elementarnym, pokazuje najmniejszy całkowity stosunek liczby atomów poszczególnych pierwiastków. Przykładowo dla etanu wzór empiryczny to CH3, ponieważ stosunek atomów węgla do wodoru wynosi 2:6, czyli po skróceniu 1:3.
Wzór molekularny, czyli rzeczywisty lub sumaryczny, informuje, ile atomów każdego pierwiastka znajduje się w jednej cząsteczce. Dla etanu jest to C2H6. Zależność można zapisać następująco:
wzór molekularny = (wzór empiryczny) × n
Liczbę n wyznacza się przez podzielenie masy molowej badanego związku przez masę molową jego wzoru empirycznego.
Algorytm wyznaczania wzoru
Do rozwiązania zadania potrzebujesz zwykle składu procentowego związku oraz jego masy molowej. Jeżeli dane pochodzą z analizy spalania, najpierw oblicza się masy lub liczby moli pierwiastków na podstawie ilości otrzymanego dwutlenku węgla i wody. W typowym zadaniu przydatne są:
- skład procentowy lub masy produktów spalania,
- masy molowe pierwiastków odczytane z układu okresowego,
- masa molowa badanego związku,
- równanie spalania, gdy analizowany jest związek organiczny.
Uniwersalna kolejność obliczeń wygląda tak:
- Przyjmij próbkę związku – najczęściej 100 g, dzięki czemu wartości procentowe można potraktować jako masy wyrażone w gramach.
- Oblicz liczbę moli każdego pierwiastka według wzoru n = m / M, gdzie m oznacza masę pierwiastka, a M jego masę molową.
- Podziel wszystkie otrzymane liczby moli przez najmniejszą z nich, aby uzyskać stosunek molowy atomów.
- Zapisz wzór empiryczny, sprowadzając stosunek do najmniejszych liczb całkowitych. Jeśli pojawiają się wartości bliskie 1,5, 1,33 lub 1,25, można pomnożyć cały stosunek odpowiednio przez 2, 3 lub 4.
- Wyznacz wielokrotność wzoru ze wzoru n = M związku / M wzoru empirycznego. Otrzymaną liczbę całkowitą zastosuj do wszystkich indeksów we wzorze empirycznym.
| Etap | Działanie | Cel |
|---|---|---|
| Skład procentowy | Przyjęcie 100 g próbki i odczytanie mas pierwiastków | Ustalenie stosunku masowego |
| Liczba moli | Podzielenie masy każdego pierwiastka przez jego masę molową | Uzyskanie stosunku molowego |
| Wzór empiryczny | Podzielenie wszystkich wartości przez najmniejszą z nich | Zapisanie najprostszego stosunku całkowitego |
| Wzór molekularny | Porównanie masy molowej związku z masą wzoru empirycznego | Wyznaczenie liczby n |
Przykład obliczeniowy
Wyznaczmy wzór molekularny węglowodoru o składzie masowym: 85,7% węgla i 14,3% wodoru. Masa molowa związku wynosi 56 g/mol.
Przyjmujemy 100 g substancji. Próbka zawiera więc 85,7 g węgla i 14,3 g wodoru. Korzystając z mas atomowych C = 12 g/mol oraz H = 1 g/mol, obliczamy liczby moli:
n(C) = 85,7 g / 12 g/mol ≈ 7,14 mol
n(H) = 14,3 g / 1 g/mol = 14,3 mol
Teraz dzielimy obie wartości przez mniejszą liczbę, czyli około 7,14:
stosunek C:H = 7,14:14,3 ≈ 1:2
Najprostszy stosunek atomów wynosi 1:2, dlatego wzór empiryczny to CH2. Jego masa molowa wynosi:
M(CH2) = 12 + 2 · 1 = 14 g/mol
Porównujemy ją z masą molową badanego związku:
n = 56 g/mol / 14 g/mol = 4
Oznacza to, że rzeczywista cząsteczka zawiera cztery jednostki CH2. Mnożymy więc oba indeksy wzoru empirycznego przez 4:
(CH2)4 = C4H8
Wzór molekularny badanego węglowodoru to C4H8. Sam skład procentowy pozwolił ustalić jedynie wzór empiryczny CH2. Dopiero znajomość masy molowej rozstrzygnęła, że rzeczywisty wzór zawiera cztery takie jednostki.
Analiza spalania
W przypadku węglowodoru spalanie prowadzi do powstania dwutlenku węgla i wody:
CxHy + O2 → CO2 + H2O
Liczbę moli węgla oblicza się z ilości CO2, ponieważ jedna cząsteczka dwutlenku węgla zawiera jeden atom węgla. Liczbę moli wodoru wyznacza się z ilości H2O, pamiętając, że jedna cząsteczka wody zawiera dwa atomy wodoru. Pominięcie wodoru z wody prowadzi do błędnego stosunku molowego.
Na co uważać?
Najczęstsze błędy wynikają nie z trudnych wzorów, lecz z niepoprawnego przechodzenia między kolejnymi etapami obliczeń:
- Nie zaokrąglaj zbyt wcześnie liczb moli, ponieważ niewielka różnica może zmienić stosunek całkowity.
- Nie utożsamiaj wzoru empirycznego z molekularnym, jeśli nie znasz masy molowej związku.
- W analizie spalania uwzględnij wodór obecny w otrzymanej wodzie.
- Sprawdź, czy indeksy we wzorze empirycznym są najmniejszymi liczbami całkowitymi.
- Po wyznaczeniu wzoru molekularnego oblicz jego masę molową i porównaj ją z wartością podaną w zadaniu.
Najważniejsza zasada jest prosta: najpierw ustal stosunek molowy i wzór empiryczny, a dopiero później użyj masy molowej do wyznaczenia rzeczywistej liczby atomów w cząsteczce.
