Эмпирическая формула как найти

Была ли эта статья полезной?

Как найти эмпирическую формулу

2 методика:Разберитесь в основахНахождение эмпирической формулы

Если вам задали домашнее задание, в котором требуется найти эмпирическую формулу соединения, но вы не знаете, с чего начать, не бойтесь! wikiHow придет вам на помощь! Сначала прочтите базовые знания, которые необходимы вам для нахождения эмпирической формулы, а затем просмотрите пример во второй части статьи.

Шаги

Метод 1 из 2: Разберитесь в основах

1. 
   1
   Узнайте, что такое эмпирическая формула. В химии ЭФ – это самый простой способ описания соединения – по сути это список элементов, образующих соединение с учетом их процентного содержания. Нужно обратить внимание, что эта простейшая формула не описывает порядок атомов в соединении, она просто указывает, из каких элементов оно состоит.[1] For example:
   • Соединение, состоящее из 40,92% углерода; 4,58% водорода и 54,5% кислорода, будет иметь эмпирическую формулу C3H4O3 (пример того, как найти ЭФ этого соединения будет рассмотрен во второй части).
2. 
   2
   Усвойте термин ‘процентный состав’. ‘Процентным составом’ называется процентное содержание каждого отдельного атома во всем рассматриваемом соединении. Чтобы найти эмпирическую формулу соединения, необходимо знать процентный состав соединения. Если вы находите эмпирическую формулу в качестве домашнего задания, то проценты, скорее всего, будут даны.
   • Чтобы найти процентный состав химического соединения в лаборатории, его подвергают некоторым физическим экспериментам, а затем – количественному анализу. Если вы не находитесь в лаборатории, вам не нужно делать эти эксперименты.
3. 
   3
   Имейте в виду, что вам придется иметь дело с грамм-атомами. Грамм-атом – это определенное количество вещества, масса которого равна его атомной массе. Чтобы найти грамм-атом, нужно воспользоваться следующим уравнением: Процентное содержание элемента в соединении делится на атомную массу элемента.[2]
   • Допустим, к примеру, что у нас есть соединение, содержащее 40,92% углерода. Атомная масса углерода равна 12, поэтому наше уравнение будет иметь 40,92 / 12 = 3,41.
4. 
   4
   Знайте, как находить атомное соотношение. Работая с соединением, у вас будет получаться больше одного грамм-атома. После нахождения всех грамм-атомов вашего соединения, посмотрите на них. Для того, чтобы найти атомное соотношение, вам нужно будет выбрать наименьшее значение грамм-атома, которые вы вычислили. Затем нужно будет разделить все грамм-атомы на наименьший грамм-атом. Например:
   • Допустим вы работаете с соединением, содержащим три грамм-атома: 1,5; 2 и 2,5. Наименьшее из этих чисел – 1,5. Поэтому, чтобы найти соотношение атомов, вы должны разделить все числа на 1,5 и поставить между ними знак отношения :.
   • 1,5 / 1,5 = 1. 2 / 1,5 = 1,33. 2,5 / 1,5 = 1,66. Следовательно, соотношение атомов равно 1 : 1,33 : 1,66.
5. 
   5
   Разберитесь, как переводить значения отношений атомов в целые числа. Записывая эмпирическую формулу, вы должны использовать целые числа. Это значит, что вы не можете использовать числа вроде 1,33. После того, как вы найдете отношение атомов, вам нужно перевести дробные числа (вроде 1,33) в целые (например, 3). Для этого вам нужно найти целое число, умножив на которое каждое число атомного соотношения, вы получите целые числа. Например:
   • Попробуйте 2. Умножьте числа атомного соотношения (1, 1,33 и 1,66) на 2. Вы получите 2, 2,66 и 3,32. Это не целые числа, поэтому 2 не подходит.
   • Попробуйте 3. Если вы умножите 1, 1,33 и 1,66 на 3, у вас получится 3, 4 и 5 соответственно. Следовательно, атомное соотношение целых чисел имеет вид 3 : 4 : 5.
6. 
   6
   Разберитесь, что значат эти целые числа для эмпирической формулы. Соотношение целых чисел, которое мы только что нашли, подходит для эмпирической формулы. Эти три числа являются маленькими числами, которые записываются под каждой буквой, представляющей отдельный элемент химического соединения. Например, наша рассчитанная эмпирическая формула будет иметь вид:
   • X3Y4Z5

Метод 2 из 2: Нахождение эмпирической формулы

1. 
   1
   Определите процентный состав соединения. Если вы пытаетесь найти эмпирическую формулу для домашней работы, то вам, вероятнее всего, будет дан процентный состав, вам просто нужно знать, как он выглядит. Например:
   • Допустим, в задании просят рассмотреть образец витамина C. В него входят 40,92% углерода, 4,58% водорода 54,5% кислорода — это и есть процентный состав.
   • 40,92% витамина C состоит из углерода, а остальная часть состоит из 4,58% водорода и 54,5% кислорода.
2. 
   2
   Найдите значения грамм-атомов в соединении. Как было сказано в части 1, уравнение для нахождения количества грамм-атомов имеет вид: Процентное содержание элемента в соединении (%) деленное на атомную массу элемента. В нашем примере есть углерод, атомная масса которого 12, водород, с атомной массой 1, и кислород, с атомной массой 16.
   • Количество грамм-атомов углерода = 40,92 / 12 = 3,41
   • Количество грамм-атомов водорода = 04,58 / 01 = 4,58
   • Количество грамм-атомов кислорода = 54,50 / 16 = 3,41
3. 
   3
   Выясните атомное соотношение. Найдите наименьший грамм-атом из всех вычисленных. В нашем примере – это 3,41 (углерод или кислород – у них одинаковое значение). Затем вы должны разделить все значения грамм-атомов на это число. Соотношение будет выглядеть следующим образом: значение для углерода : значение для водорода : значение для кислорода.
   • Углерод: 3,41 / 3,41 = 1
   • Водород: 4,58 / 3,41 = 1,34
   • Кислород: 3,41 / 3,41 = 1
   • Атомное соотношение – 1 : 1.34 : 1.
4. 
   4
   Переведите соотношение в целые числа. Если ваше атомное соотношение состоит из целых чисел, то вы можете пропустить этот шаг. В нашем примере, однако, нам нужно превратить 1,34 в целое число. Наименьшее число, которое можно умножить числа в атомном соотношении – это 3.
   • 1 x 3 = 3 (подходит, так как 3 – целое число).
   • 1,34 x 3 = 4 (4 – также целое число).
   • 1 x 3 = 3 (и снова, 3 – это целое число).
   • Следовательно, полученное соотношение целых чисел имеет вид углерод (C) : водород (H) : кислород (O) = 3 : 4 : 3
5. 
   5
   Запишите эмпирическую формулу. Для этого, все что вам нужно – это записать букву каждого компонента, в нашем случае – C для углерода, H для водорода и O для кислорода, с сопутствующими им числами в виде нижних индексов. В нашем примере эмпирическая формула имеет вид:
   • C3H4O3

Советы

• Молекулярная формула отражает общее количество присутствующих атомов, тогда как эмпирическая отражает наименьшее соотношение между отдельными атомами.
• Если вам нужно найти процентное соотношение в лаборатории, то вы должны будете провести над образцом соединения спектрометрические эксперименты.

В уроке 12 «Элементный анализ» из курса «Химия для чайников» рассмотрим анализ химического состава вещества; научимся определять эмпирическую формулу соединения; кроме того разберем кучу примеров на нахождение весовых процентов и формулы вещества. Данный урок потребует от вас знания, что из себя представляет молекулярная формула соединения, а так же общих сведений, изложенных в первой главе «Атомы, молекулы и ионы». Обязательно прочитайте о законе сохранения массы и энергии, потому что все уроки из данного раздела посвящены именно ему.

Анализ химического состава вещества

Анализ химического состава вещества или элементный анализ выполняют так: сначала разлагают исходное химическое соединение на отдельные элементы, а затем измеряют их относительные количества, выраженных в граммах на 100 грамм исходного вещества, либо в весовых (массовых) процентах. На практике это можно проделать, например, с углеводородом — соединением, содержащим лишь атомы углерода C и водорода H. Если известное количество углеводорода сжечь в кислороде, то образуется CO₂ (диоксид углерода) и H₂O, количество которых нужно затем измерить.

Пример 1: При сжигании неизвестного углеводорода массой 25 г образуется 68,58 г CO₂ и 56,15 г H₂O. Сколько граммов углерода и водорода содержится в исходном образце?

Решение:

Атомная масса C равна 12,011 г/моль, а молекулярная масса CO₂ равна 12,011 + 2×15,999 = 44,010 г/моль. Сначала найдем относительное содержание C в CO₂:

• (12,011/44,010)×100 = 27,29% углерода

Если 27,29% CO₂ представляют собой углерод, то количество углерода, содержащееся в 68,58 г CO₂, равно

• 27,29%×68,58 г = 18,72 г углерода

Аналогичный расчет содержания H в воде дает

• (2×1,008/18,015)×100 = 11,19% водорода
• 11,19%×56,15 г = 6,283 г водорода

Проверка: 18,72 г + 6,283 г = 25,00 г

Пример 2: Сколько граммов C содержится в 100 г образца углеводорода, рассмотренного в примере 1?

Решение:

• (100 г / 25,0 г)×18,72 г углерода = 74,88 г углерода на 100 г образца

Пример 3: Каков состав (в весовых процентах) углеводорода, рассматриваемого в примере 1?

Решение:

• (18,72 г углерода / 25,00 г образца)×100% = 74,88% углерода
• (6,28 г водорода / 25,00 г образца)×100% = 25,12% водорода

Если нам известен состав вещества в весовых процентах, можно воспользоваться атомными массами входящих в него элементов и вычислить относительное число атомов каждого элемента в соединении.

Пример 4: Вычислите относительное число атомов C и H в соединении, рассматриваемом в примере 3.

Решение:

Такие вычисления легче проводить, исходя из 100,0 г вещества: тогда весовые проценты, в которых выражен элементный состав соединения, можно просто заменить на такое же число граммов соответствующих элементов (ср. примеры 3 и 2). Теперь разделим массу C и массу H на их атомные массы:

• 74,88 г углерода / 12,011 г/моль = 6,234 моля углерода
• 25,12 г водорода / 1,008 г/моль = 24,92 моля водорода

Таковы относительные количества молей C и H в неизвестном углеводороде, и вот тут-то мы убедимся, насколько удобно пользоваться представлением о моле. Полученные выше численные значения должны также выражать относительные количества атомов углерода и водорода в соединении, то есть на каждые 6,234 атома углерода в неизвестном углеводороде приходится 24,92 атома водорода. Если мы попытаемся найти общее кратное этих двух чисел, то окажется, что они находятся в соотношении 1:4. Разделив оба числа на меньшее из них (16,234), мы найдем, на каждый атом углерода приходится 24,92/6,234=3,997, т.е 4 атома водорода.

Пример 5: Жидкость содержит 11,19 вес.% водорода и 88,81 вес.% кислорода. Каковы относительные количества атомов водорода и кислорода в этой жидкости?

Решение:

Рассмотрим снова 100 г вещества и вычислим количество молей каждого элемента, входящего в его состав:

• 11,19 г водорода / 1,008 г/моль = 11,10 моля водорода
• 88,81 г кислорода / 15,999 г/моля = 5,551 моля кислорода

Разделим оба числа на меньшее из них, чтобы найти общее кратное и тогда мы получим, что на каждый атом кислорода приходится по два атома водорода.

Пример 6 решаем самостоятельно: Обычный лабораторный растворитель, углеводород, содержит 92,26 вес.% углерода и 7,74 вес.% водорода. Каковы относительные количества атомов углерода и водорода в этом соединении?

Ответ: на 1 атом углерода приходится по 1 атому водорода

Эмпирическая формула вещества

Одним лишь элементным анализом невозможно определить правильную молекулярную формулу соединения. Например, с результатами вычислений в примере 4 согласуется формула метана -CH₄, но те же аналитические результаты могли бы согласоваться с молекулярными формулами C₂H₈, C₃H₁₂ или C₄H₁₆, если бы подобные молекулы существовали. Вещество в примере 5 может быть водой H₂O, но могло бы иметь формулу H₄O₂ или еще более сложную, но кратную H₂O.

Химическая формула, указывающая относительные количества атомов каждого из элементов в соединении при помощи целых чисел, не имеющих общего кратного, называется эмпирической формулой соединения. Элементный анализ вещества приводит именно к эмпирической формуле соединения, а не к молекулярной формуле, которая может совпадать с эмпирической формулой, но может представлять собой ее целое кратное. Для метана и воды эмпирические формулы совпадают с молекулярными формулами CH₄ и H₂O. Например вещество из примера 6 имеет эмпирическую формулу CH, но молекулярная формула может представлять собой бензол С₆H₆, ацетилен C₂H₂ или любой из пяти других, менее распространенных углеводородов, молекулы которых изображены на рисунке 2-2.

Определение формулы вещества

Закрепим полученные знания заключительным примером:

Глюкоза содержит 40,00 вес.% углерода, 6,71 вес.% водорода и 53,29 вес.% кислорода. Каковы ее эмпирическая и молекулярная формулы, если из других экспериментов известно, что глюкоза имеет молекулярную массу, приблизительно равную 175 г/моль?

Решение:

Найдем сначала число молей каждого элемента, приходящихся на 100 г глюкозы:

• 40,00 г углерода / 12,011 г/моль = 3,330 моля углерода
• 6,71 г водорода / 1,008 г/моль = 6,66 моля водорода
• 53,29 г кислорода / 15,999 г/моль = 3,331 моля кислорода

Очевидно, что эмпирическая формула вещества должна иметь вид CH₂O. Найденной эмпирической формуле глюкозы соответствует молекулярная масса

• 12,011 + (2×1,008) + 15,999 = 30,026 г/моль

Приближенная молекулярная масса из экспериментов почти в 6 раз превышает это значение, поэтому можно сделать вывод, что молекулярная формула глюкозы имеет вид C₆H₁₂O₆.

Урока 12 «Элементный анализ» очень важный, поэтому если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.