Wyznaczanie wzoru empirycznego i rzeczywistego substancji.

Analiza chemiczna pozwala na określenie zawartości poszczególnych składników w związku o nieznanym składzie chemicznym . Wyniki te można wykorzystać do wyznaczenia wzoru uproszczonego lub rzeczywistego lego związku .

1. Wyprowadzanie uproszczonych wzorów związków chemicznych

Najprostsze wzory związków chemicznych ( tzw. Wzory empiryczne-elementarne-uproszczone ) podają stosunki atomowe pierwiastków składowych wyrażone przez możliwie najmniejszy stosunek liczb całkowitych . Na przykład dla kwasu octowego ( CH₃COOH ) wzór uproszczony ma postać CH₂O a wzór rzeczywisty jest C₂H₄O₂ . Wzory uproszczone wyprowadza się na podstawie zawartości procentowych lub wagowych pierwiastków oraz ich mas atomowych.

Przykład 1.

Pewien węglowodór zawiera 92,26% wag. węgla i 7,74% wag. wodoru. Wyprowadzić jego wzór uproszczony.

Dane:

m_c = 92,26 g

m_H = 7,74 g

Rozwiązanie.

Wzór związku podajemy w postaci C_xH_y . Następnie obliczamy, ile moli węgla i wodoru zawiera 100 g związku. Procent wagowy wyraża wówczas liczbowo masę pierwiastka.

Masy molowe: M_c = 12,01 g/mol, M_H = 1,008 g/mol

m_C = mol C

m_{H =} mol H

Stosunek liczby atomów węgla x do liczby atomów wodoru y równa się stosunkowi liczb moli tych pierwiastków.

x :y = n_C : n_H = 7,68 : 7,68 = 1 : 1

Odp:

Wzór uproszczony związku możemy wyrazić w postaci CH.

Przykład 2.

Po spaleniu 0,6245 g pewnej substancji organicznej, zawierającej węgiel, wodór i tlen otrzymano

0, 9160 g CO₂ i 0,3756 g H₂O. Wyprowadź uproszczony wzór tej substancji.

Rozwiązanie.

Obliczamy masę węgla, wodoru i tlenu w badanej próbce.

Węgiel wszedł w skład dwutlenku węgla, a wodór w skład wody.

Masy atomowe: M_C = 12,01 u M_H = 1,008 u

Masy cząsteczkowe: M co₂ = 44,01 u M H₂O = 18,02 u

1 mol CO₂ : zawiera 1 mol C

44,01g CO₂ : -- 12,01 g C
0.9160 g CO₂: -- m_C g C

m_C = węgla

1 mol H₂O zawiera 2 mol H

18,02 g H₂O -- 2 × 1,008 g = 2,016 g H
0.3756 g H₂O -- m_H g H

m_H =

m_C + m_H = 0,25 g + 0,042 g = 0,292 g

masa próbki wynosi 0, 6245 g /m C_XH_YO_z = 0, 6245 g /

m C_XH_YO_z m_C + m_H

0, 6245 g 0,292 g ; oznacza to, że w skład badanej próbki wchodzi oprócz węgla i wodoru także tlen .

Masa tlenu wynosi:

m_O = 0,6245 g - (0,2500 g + 0,0420 g) = 0,3325 g

Wzór tego związku wyrazimy w postaci: C_XH_YO_z

0,2500 g

n_C = -------------------- = 0,0208 mol C

12,01 g/mol

0,0420 g

n_H = = 0,0417 mol H

1,008 g/ mol

0,3325 g

n_O = = 0,0208 mol O

16,00 g/mol

x : y : z =n_C : n_H : n_O = 0,0208 : 0,0417 : 0,0208 =1:2:1

Odp:

Wzór uproszczony badanego związku - CH₂O.

2. Wyprowadzenie rzeczywistych wzorów związków chemicznych

Przy wyprowadzaniu rzeczywistego (cząsteczkowego) wzoru należy znać nie tylko skład danego związku,

ale także jego masę cząsteczkową. Bardzo często wzór uproszczony jest jednocześnie wzorem rzeczywistym

związku.

Wzór rzeczywisty związku jest n- krotnością wzoru empirycznego ,

gdzie n jest stosunkiem rzeczywistej masy molowej związku (M) do masy wyznaczonej na podstawie obliczonego wzoru empirycznego ( M _emp. ) :

M

n = ------

M _emp

Rzeczywistą masę molową związku możemy wyznaczyć na podstawie dodatkowych informacji dotyczących właściwości fizycznych badanego związku lub jego roztworu.

• Jeżeli znamy gęstość par związku (d_o ) w warunkach normalnych , to jego masę molową obliczamy z zależności :

d_o =

M = V_o • d_o

Przykład 3.

Pewien węglowodór zawiera 82,66% wag. węgla i 17,34% wag. wodoru. Wyprowadzić rzeczywisty wzór tego węglowodoru, jeżeli jego masa cząsteczkowa wynosi w przybliżeniu 58 u.

Rozwiązanie.

Najpierw wyprowadzamy wzór uproszczony C_xH_y, tak jak w poprzednich przykładach

82,66 g

n_c = ---------------- = 6,883 mol C

12.01 g/mol

17,34 g

n_H = --------------- = 17,20 mol H

1,008 g/mol

x : y = n_C : n_H = 6,883 : 17,20 = 1 : 2,5 = 2,5 = 2 : 5

Uproszczony wzór węglowodoru ma postać C₂H₅.

Masa cząsteczkowa obliczona według tego wzoru wynosi: 2 × 12,01 u + 5 × l,008u = 29,06u.

MC₂H₅ = 29 u

M

n = ---------

M _{e m p .}

n = 58u : 29 u

n = 2

( C₂H₅ )₂ = C₄H₁₀

Odp:

Wzór rzeczywisty związku - C₄H₁₀.

Przykład 4.

Związek organiczny zawiera 48,65% wag. węgla i 8,16% wag. wodoru, resztę stanowi tlen. Gęstość par tego związku wynosi 3,28 g/dm³ ( w warunkach normalnych ). Wyprowadzić jego wzór cząsteczkowy.

Rozwiązanie.

Wzór związku: C_xH_yO_z

Dane:

d_o = 3,28 g/ dm³

m C_xH_yO_z = 100 g

m_C = 48,65 g

m_H = 8,16 g

m_O = 100 g - ( m_C + m_H ) = 100 g - ( 48,65 g + 8,16 g ) = 100 g - 56,81 = 43,19 g

n_C = C

n_H = H

n_O = O

n_C : n_H : n_O = 4,05 : 8,01 : 2,7 = 1,5 : 3,0 : 1,0 = 3 : 6 : 2

Wzór uproszczony : C₃H₆O₂

M C₃H₆O₂ = 3M_C + 6M_H + 2M_O = 3 ×12 g/mol + 6×1 g/mol + 2 × 16 g/mol u = 74 g/mol

Masa molowa obliczona według wzoru uproszczonego wynosi 74 g/mol . Ponieważ znamy gęstość par związku w warunkach normalnych, więc możemy obliczyć masę jego mola :

M = V_od_o = 22,4 dm³ /mol •3,28 g/dm³ = 73,5 g/mol

Zatem wzór uproszczony i rzeczywisty są takie same.

Odp.: Wzór rzeczywisty związku : C₃H₆O₂.

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zad 1. W wyniku spalania a g związku otrzymano jako jedyne produkty b g CO₂ i c g H₂O.

Ustal , z jakich pierwiastków składał się ten związek i oblicz jego skład procentowy oraz podaj wzór elementarny.

A) a = 0,180 g

B) a = 0,660 g

C) a = 35,2 mg

D) a = 0,456 g

b = 0,527 g

b= 1,976 g

b = 70,3 mg

b = 0,791 g

c = 0,323 g

c= 1.079 g

c = 28,9 mg

c = 0,432 g Odp.: A) CH₃ B) C₃H₈ C) C₂H₄O D) C₃H₈O₂Zad.2. Oblicz wzór sumaryczny związku wiedząc, że jego masa molowa jest równa 90 g/mol, a spalenie 0,72 g tego związku dało 1,408 g CO₂ i 0,721g H₂O. Odp.: C₄H₁₀O₂

Zad.3. Analiza pewnego związku organicznego wykazuje, że na 2,l g węgla przypada 0,35g wodoru i 2,8g tlenu. Ustal wzór empiryczny tego związku.

Zad.4. Analiza pewnego związku organicznego wykazała, że na 2,lg węgla w tym związku przypada 0,35g wodoru i 2.8 tlenu. 1dm³ pary tego związku w przeliczeniu na warunki normalne ważył 2,679g. Związkiem tym jest:

A. C₂H₄O₂

B. CH₂O

C. C₃H₆O₃

D. C₄H₈O₄

Zad.5. Spalając 2,8 dm³ pewnego gazowego węglowodoru uzyskano 8,4 dm³ CO₂ i 4,5g H₂O. Spalonym węglowodorem jest:

A. C₃H₆

B. C₂H₆

C. C₃H₆

2. C₃H₂

Zad.6. Ustal wzór sumaryczny węglowodoru, który w warunkach normalnych jest gazem o gęstości 1,34 g ^. dm^-3 i zawiera 80% węgla. Odp:C₂H₆

Zad. 7. Ustal wzór sumaryczny węglowodoru o masie molowej 72 g ^. mol^-1 zawierającego 83,4 % węgla.

Odp:C₅H₁₂

Zad.8. Do całkowitego spalenia 0,4 dm³ węglowodoru zużyto 0,8 dm³ tlenu (objętości odniesiono do tych samych warunków). Czy to mógł być metan? Uzasadnij.

Zad.9. Spalono 1 g węglowodoru, w którym znajdowało się 6,02 × 10²¹ jego cząsteczek, otrzymując 6,16 g CO₂ i 2,88 g H₂O. Ustal wzór tego alkanu. Odp:C₇H₁₆

Zad. 10. W wyniku spalenia próbki gazowego węglowodoru o gęstości 1,965 g*dm^-3, otrzymano 1,008 dm³ dwutlenku węgla i 1,344 dm³ pary wodnej, odmierzonych w warunkach normalnych. Podaj wzór sumaryczny tego węglowodoru. Odp:C₃H₈

Zad. 11. Do spalenia 1,12 dm³ węglowodoru zużywa się 5,6 dm³ O₂, uzyskując 3,36 dm³ CO₂ i 4,48 dm³ pary wodnej. Podaj wzór sumaryczny tego węglowodoru, objętości gazów odniesiono do warunków, normalnych. Odp:C₃H₈

Zad.12 Ustal, jaki gaz znajdował się w butli: eten czy propen, skoro na całkowite spalenie próbki o objętości 3 cm³ zużyto 13,5 cm³ tlenu (podane objętości odnoszą się do warunków normalnych).

Odp:C₃H₆

Zad. 13. Ustal wzór sumaryczny węglowodoru o masie molowej 42 g × mol^-1 wiedząc, ze spalenie 0,21 g tego związku daje 0,66 g CO₂ i 0,27 g H₂O. Odp:C₃H₆

Zad. 14. W wyniku spalania próbki pewnego węglowodoru o masie molowej 68 g× mol^-1 otrzymano 4,4 g CO₂ i 1,44 g H₂O. Ustal wzór sumaryczny tego związku. Odp:C₅H₈