Wyznaczanie wzoru związku

Wzór rzeczywisty - albo inaczej sumaryczny określa nam, ile atomów poszczególnych pierwiastków składa się na jedną cząsteczkę danego związku chemicznego.
Wzór empiryczny - albo inaczej najprostszy określa jedynie stosunek liczb atomów poszczególnych pierwiastków w cząsteczce.

Rozważmy sobie różnicę między wzorem rzeczywistym a empirycznym na przykładzie etanu. Cząsteczka etanu jest zbudowana z dwóch atomów węgla oraz sześciu atomów wodoru. To oznacza, że jej wzór sumaryczny będzie się prezentował następująco: C₂H₆. W tej cząsteczce na jeden atom węgla przypadają trzy atomy wodoru, lub innymi słowy - wodoru jest trzy razy więcej, niż węgla. Stąd widać, że wzór empiryczny cząsteczki etanu to CH₃.

Bardzo łatwo jest wyznaczyć wzór sumaryczny mając dany wzór empiryczny. Potrzebna jest do tego tylko masa molowa związku. Wtedy wystarczy jedynie określić, jaką wielokrotnością wzoru empirycznego jest wzór sumaryczny. Istnieje też bardzo wiele związków, dla których wzór empiryczny i sumaryczny wygląda dokładnie tak samo. Łatwo znaleźć takie indywidua pośród prostych związków nieorganicznych, jak na przykład NH₃ lub H₂O.

Wzór rzeczywisty na podstawie składu procentowego

Istnieje bardzo prosty schemat pozwalający szybko i sprawnie robić zadania z wyznaczania wzoru rzeczywistego na podstawie składu procentowego. Dzięki niemu na pewno nie pogubisz się w obliczeniach:

1. Wyznacz stosunek molowy pierwiastków wchodzących w skład badanego związku.
2. Spraw, by liczby były całkowite i względem siebie pierwsze, czyli żeby żadna para nie miała wspólnego dzielnika. Sprowadza się to do wyznaczenia najmniejszej wielokrotności całkowitej liczby moli w cząsteczce.
3. Napisz wzór empiryczny.
4. Wyznacz na podstawie masy molowej wzór sumaryczny.
5. Nie zapomnij napisać odpowiedzi.

Przykład 1

Wyznacz wzór rzeczywisty związku o masie molowej 60 g·mol^-1, zawierającego 40% węgla, 6,67% wodoru i 53,33% tlenu.

1. Zaczynamy od wyznaczenia stosunku molowego pierwiastków, które tworzą nasz związek. Widać, że jeśli założymy sobie, że mamy 100 g tego związku, to zawiera on 40 g węgla, 6,67 g wodoru i 53,33 g tlenu. \[ n_{C} : n_{H} : n_{O} = \frac{40g}{12g/mol} : \frac{6,67g}{1g/mol} : \frac{53,33g}{16g/mol}\\ \] \[ n_{C} : n_{H} : n_{O} = 3,33mola : 6,67 mola : 3,33 mola \]
2. Wyznaczamy najmniejszą wielokrotność liczby moli w cząsteczce. \[ n_{C} : n_{H} : n_{O} = \frac{3,33mola}{3,33mola} : \frac{6,67 mola}{3,33mola} : \frac{3,33 mola}{3,33mola}\\ \] \[ n_{C} : n_{H} : n_{O} = 1 : 2 : 1 \]
3. Sprawdzamy, czy wyznaczone liczby są względem siebie pierwsze. Na szczęście są, więc nie musimy się przejmować.
4. Zapisujemy wzór empiryczny. \[ CH_{2}O \]
5. Mając daną masę molową wyznaczamy wzór sumaryczny. \[ m_{CH_{2}O} \cdot n = 60 g/mol \\ n \cdot (12 g/mol + 2 \cdot 1 g/mol + 16 g/mol) = 60 g/mol\\ 30n = 60\\ n = 2\\ [CH_{2}O]_{2} \Longrightarrow C_{2}H_{4}O_{2} \]
6. A teraz odpowiedź: Wzór sumaryczny związku to C₂H₄O₂

Wzór rzeczywisty na podstawie analizy produktów spalania

Bardzo łatwo jest trafić zadanie wyznaczania wzoru sumarycznego mając dane wiadomości ze spalenia związku. Jest to szczególnie przydatne przy analizie związków organicznych. Wszystko opiera się na założeniu, że związek ulega całkowitemu spaleniu, to znaczy, że cały węgiel tworzy CO₂, wodór H₂O, a azot N₂. Jeśli znamy ilość wytworzonych związków, to łatwo już wyznaczyć stosunek masowy pierwiastków, a następnie postępując według napisanego wyżej schematu, dojść do wzoru sumarycznego.

Przykład 2

Spalono pewną ilość węglowodoru o nieznany wzorze sumarycznym. Ze spalenia uzyskano 17,6 g CO₂ oraz 8,64 g H₂O. Wyznacz wzór empiryczny tego związku.

1. To zadanie zaczniemy od zapisania równania reakcji. \[ C_{x}H_{y} + \bigg( x + \frac{y}{4} \bigg) O_{2} \rightarrow xCO_{2} + \frac{y}{2}H_{2}O \]
2. W następnym kroku obliczamy masę węgla zawartego w CO₂. Najłatwiej nam pójdzie, jeśli użyjemy proporcji. \[ 44g \;\; CO_{2} \rightarrow 12g \;\; C\\ 17,6g \;\; CO_{2} \rightarrow x \;\; C\\ x = 4,8g \]
3. Analogicznie postępujemy z wodorem zawartym w H₂O. \[ 18g \;\; H_{2}O \rightarrow 2g \;\; H\\ 8,64g \;\; H_{2}O \rightarrow xg \;\; H\\ x = 0,96g \]
4. Ustalamy wzór empiryczny związku dokładnie tak, jak robiliśmy to w poprzednim przykładzie. \[ m_{C} : m_{H} = 4,8g : 0,96 g\\ n_{C} : n_{H} = \frac{4,8g}{12 g/mol} : \frac{0,96g}{1 g/mol}\\ n_{C} : n_{H} = 0,4 mola : 0,96 mola\\ C : H = 1 : 2,4\\ C : H = 5 : 12 \]
5. Odpowiedź: wzór empiryczny tego węglowodoru to C₅H₁₂.

Przykład 3

Podczas spalania związku organicznego o masie 50 g otrzymano 68,75 g CO₂ oraz 56,25 g wody. Ustal wzór empiryczny tego związku.

1. Zaczynamy od określenia składu pierwiastkowego. Tym razem zadanie jest trochę bardziej podchwytliwe, ponieważ w jego treści nie ma informacji o tym, jaki jest to związek. A więc nie musi to być wcale węglowodór, równie dobrze mogliśmy trafić na związek zawierający tlen. Aby się tego dowiedzieć, trzeba obliczyć masę węgla zawartego w CO₂ i masę wodoru z H₂O, dodać obie wielkości i porównać z masą spalanego związku. \[ 44 g \;\; CO_{2} \rightarrow 12 g \;\; C\\ 68,75 g \;\; CO_{2} \rightarrow x g \;\; C\\ x = 18,75 g \] \[ 18 g \;\; H_{2}O \rightarrow 2 g \;\; H \\ 56,35 g \;\; H_{2}O \rightarrow x g \;\; H\\ x = 6,25 g \] Suma mas węgla i wodoru wynosi 25 g, czyli jest mniejsza od 50 g. Świadczy to o obecności tlenu w cząsteczce. Jego masa wynosi 25 g.
2. Ustalamy empiryczny wzór związku tak samo, jak w poprzednich przykładach. \[ m_{C} : m_{H} : m_{O} = 18,75g : 6,25g : 25g\\ n_{C} : n_{H} : n_{O} = \frac{18,75g}{12 g/mol} : \frac{6,25g}{1 g/mol} : \frac{25g}{16 g/mol}\\ n_{C} : n_{H} : n_{O} = 1,5625 mola : 6,25 mola : 1,5625 mola\\ C:H:O = 1:4:1 \]
3. Odpowiedź: wzór empiryczny związku to CH₄O.