Przeczytaj

bg‑blue

Ustalanie wzorów empirycznych i rzeczywistych związków chemicznych

Związki chemiczne powstają na skutek rozmaitych typów reakcji chemicznych. O tym, z jaką substancją chemiczną mamy do czynienia, mówią nam obecne w niej rodzaje atomów lub jonów (odpowiednie symbole określają skład jakościowy) oraz ich ilości (odpowiednie cyfry w indeksach dolnych przy symbolach pierwiastków, nazywane indeksami stechiometrycznymi, określają skład ilościowy). Przykładem ukazującym istotę tego stwierdzenia jest porównanie cząsteczek wody $H_{2} O$ i nadtlenku wodoru $H_{2} O_{2}$ . Obydwie te cząsteczki zawierają w swoim składzie atomy tlenu i wodoru. Jednak ze względu na to, że cząsteczka wody posiada tylko jeden atom tlenu, a cząsteczka nadtlenku wodoru dwa atomy tego pierwiastka, substancje te wykazują bardzo różne właściwości. Istnieje szereg sposobów przedstawiania związków chemicznych. Można w tym celu podać:

nazwę związku chemicznego, np. nadtlenek wodoru;
wzór rzeczywistywzór rzeczywisty wzór rzeczywisty np. $H_{2} O_{2}$ ;
wzór empirycznywzór empiryczny wzór empiryczny np. $HO$ ;
wzór strukturalny, np. przedstawiony na poniższej grafice wzór nadtlenku wodoru.

R1ct8i6gxkTHS

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny nadtlenku wodoru. Dwa atomy tlenu są związane ze sobą wiązaniem pojedynczym. Dodatkowo każdy atom tlenu tworzy wiązanie pojedyncze z jednym atomem wodoru. — Wzór strukturalny nadtlenku wodoru
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑blue

Wzór rzeczywisty

Wzór rzeczywisty to, mówiąc wprost, wzór, jaki zapisujesz w zeszycie, który często pokrywa się ze wzorem sumarycznym. Dlaczego „często” a nie „zawsze”? Naprzykład dlatego, że wzór sumaryczny metanolu to ${CH}_{4} O$ , ale wzór, jaki rzeczywiście ten alkohol posiada, to ${CH}_{3} OH$ . Jak widzisz, te różnice, np. w odniesieniu do ${HNO}_{3}$ , nie występują, bo wzór sumaryczny jest jednoznaczny z rzeczywistym.

Każdy związek chemiczny, niezależnie od pochodzenia oraz metody otrzymywania, ma stały skład jakościowy i ilościowy.

Zależność wynikająca z powyższego prawa dla związku chemicznego, o wzorze sumarycznym $A_{x} B_{y}$ , przyjmuje postać:

\frac{(M_{A} \cdot x)}{(M_{B} \cdot y)} = \frac{% A}{% B}

gdzie:

$M_{A}$ i $M_{B}$ – masy atomowemasa atomowamasy atomowe pierwiastków;
$x$ i $y$ – indeksy stechiometryczne;
$% A$ i $% B$ – procent masowy pierwiastków.

Jak wyznaczyć wzór rzeczywisty?

Przykład 1

Pewien związek zawiera wagowo $92,3 %$ węgla oraz $x %$ wodoru. Masa molowa tego związku wynosi $78 \frac{g}{mol}$ . Na podstawie podanych informacji ustal wzór rzeczywisty tego związku.

Należy ustalić wzór związku o wzorze $C_{x} H_{y}$ . W pierwszym kroku obliczamy $\%$ wagowy wodoru w związku.

% H = 100 % - 92,3 % = 7,7 %

Na podstawie równania z prawa stałości składu zapisujemy zależności:

\frac{(M_{C} \cdot x)}{(M_{H} \cdot y)} = \frac{% C}{% H}

\frac{12 x}{1 y} = \frac{92,3}{7,7}

\frac{x}{y} = \frac{92,3}{7,7} \cdot \frac{1}{12} \approx 1

Z powyższych obliczeń wynika, że:

x = 1

oraz

y = 1

Wzór empiryczny ma postać: $CH$ .

W związku z tym wzór rzeczywisty przyjmie postać
$\left(\text{CH}\right)_n$ ,
gdzie $n$ oznacza wielokrotność, ponieważ wzór rzeczywisty jest wielokrotnością wzoru empirycznego.

Masa $1$ molamolmola związku wynosi:

1 \cdot 12 \frac{g}{mol} + 1 \cdot 1 \frac{g}{mol} = 13 \frac{g}{mol}

n \cdot 13 \frac{g}{mol} = 78 \frac{g}{mol}

n = 6

Wzór rzeczywisty ma postać: $\text C_6\text H_6$ .

Przykład 2

Wyznacz wzór rzeczywisty związku chemicznego o masie molowej $130 \frac{g}{mol}$ , zawierającego $73,85 %$ węgla, $13,85 %$ wodoru i $12,3 %$ tlenu.

Można zacząć od wyznaczenia stosunku molowego wszystkich pierwiastków:

n C : n H : n O = (\frac{73,85 g}{12 \frac{g}{mol}}) : (\frac{13,85 g}{1 \frac{g}{mol}}) : (\frac{12,3 g}{16 \frac{g}{mol}})

n C : n H : n O = 6,15 mola : 13,85 mola : 0,77 mola

Następnie wyznaczamy najmniejszą wielokrotność liczby moli w cząsteczce.

n C : n H : n O = \frac{6,15 mola}{0,77 mola} : \frac{13,85 mola}{0,77 mola} : \frac{0,77 mola}{0,77 mola}

n C : n H : n O = 8 : 18 : 1

Sprawdzamy, czy otrzymane liczby są względem siebie pierwsze. Jeśli tak, zapis jest poprawny. Następnie można zapisać wzór empiryczny:

C_{8} H_{18} O

i na podstawie masy molowej sprawdzić, czy jest on zgodny z wzorem sumarycznym i ma postać $C_{8} H_{18} O$ .

m_{C_{8} H_{18} H} = 130 \frac{g}{mol}

n \cdot 130 \frac{g}{mol} = 130 \frac{g}{mol}

n = 1

Wzór empiryczny jest więc taki sam jak wzór rzeczywisty dla tego związku i ma postać $C_{8} H_{18} O$ .

Należy jednak pamiętać, że często (zwłaszcza w chemii organicznej) jeden wzór sumaryczny odpowiada kilku różnym związkom – dla powyższego przykładu są nimi np. eter di‑tert‑butylowy, eter dibutylowy, $2$ -etyloheksanol, $1$ -oktanol, $2$ -oktanol, $3$ -oktanol, $4$ -oktanol, $3$ , $5$ -dimetyloheksan- $3$ -ol.

Przykład 3

Pewien węglowodór spalono, w wyniku czego otrzymano $35,2$ grama ${CO}_{2}$ i $17,28$ grama $H_{2} O$ . Wyznacz wzór empiryczny tego związku. W tym celu należy zapisać ogólne równanie reakcji spalania węglowodorów i uzgodnić współczynniki stechiometryczne ( $x$ – oznacza liczbę moli atomów węgla, $y$ – liczbę moli atomów wodoru):

C_{x} H_{y} + (x + \frac{y}{4}) O_{2} \to x {CO}_{2} + \frac{y}{2} H_{2} O

Następnie, stosując proporcję, obliczamy zawartość węgla w ${CO}_{2}$ :

44 g {CO}_{2} - 12 g C

35,2 g {CO}_{2} - m

m = 9,6 g

Stosując proporcję, obliczamy zawartość wodoru w $H_{2} O$ :

18 g H_{2} O - 2 g H

17,28 g H_{2} O - w

w = 1,92 g

Aż w końcu ustalamy wzór empiryczny:

n C = x n H = y

n C : n H = (\frac{9,6 g}{12 \frac{g}{mol}}) : (\frac{1,92 g}{1 \frac{g}{mol}})

n C : n H = 0,8 mola : 1,92 mola

n C : n H = \frac{0,8 mola}{0,8 mola} : \frac{1,92 mola}{0,8 mola}

n C : n H = 1 : 2,4

Sprawdzamy, czy otrzymane liczby są względem siebie pierwsze, a ponieważ nie są, to należy sprowadzić je do stosunku najbliższych im liczb pierwszych (np. poprzez mnożenie $2,4$ przez kolejne wielokrotności). Wówczas otrzymujemy:

\underset{x}{n C} : \underset{y}{n H} = 5 : 12

Ostatecznie można zapisać wzór empiryczny węglowodoru, który ma postać $C_{5} H_{12}$ .

bg‑blue

Wzór empiryczny

Wzór empiryczny to wzór, który, podobnie jak wzór rzeczywisty, wskazuje rodzaj obecnych w związku atomów (lub jonów). Nie ukazuje jednak prawdziwego stosunku liczby atomów (lub jonów) dla tego związku, a tylko najprostszy ich stosunek. Wzorem empirycznym dla nadtlenku wodoru jest wzór $HO$ , który różni się od wzoru rzeczywistego tego związku o zapisie w postaci $\text H_2\text O_2$ . Na uwagę zasługuje fakt, że niektóre związki chemiczne (najczęściej nieorganiczne) posiadają identyczne wzory empiryczne z rzeczywistymi, ponieważ nie można ich zapisać już w łatwiejszy (tzn. skrócony jak w empirycznym wzorze) sposób, np. $\text N\text H_3$ , $\text H_2\text O$ .

RIFm3yjjMKqdP

Na ilustracji przedstawiono kilka rzeczywistych wzorów związków chemicznych oraz odpowiadające im wzory empiryczne. 1. Wzór rzeczywisty P 4 O 10 . Wzór empiryczny: P 2 O 5 . 2. Wzór rzeczywisty N 2 O 4 . Wzór empiryczny: N O 2 . 3. Wzór rzeczywisty: C 10 H 22 . Wzór empiryczny C 5 H 11 . 4. Wzór rzeczywisty C 6 H 18 O 3 . Wzór empiryczny C 2 H 6 O . 5. Wzór rzeczywisty C 5 H 12 O . Wzór empiryczny C 5 H 12 O . — Porównanie wzorów rzeczywistych (po lewej stronie schematu) z empirycznymi (po prawej stronie schematu) dla wybranych związków
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ważne!

W zapisie wzorów związków chemicznych stosujemy tylko liczby całkowite jako indeksy dolne, umieszczane przy symbolach pierwiastków.

Jak ustalić wzór empiryczny?

Przykład 4

Etan ma wzór rzeczywisty w postaci: $C_{2} H_{6}$ . Ustal, jaki jest jego wzór empiryczny. W tym celu należy znaleźć największy wspólny dzielnik dla wszystkich liczb w indeksach dolnych, który spowoduje, że otrzymany wzór będzie możliwie w najprostszej postaci. Dla wzoru $C_{2} H_{6}$ jest to $2$ , zatem wzór empiryczny otrzymamy poprzez skrócenie ma postać:

{CH}_{3}

Przykład 5

Pewien związek zawiera wagowo $69,6 %$ tlenu i $30,4 %$ azotu. Wyznacz wzór empiryczny tego związku oraz zdecyduj, czy wzór ten może być wzorem rzeczywistym. Należy ustalić wzór związku o wzorze $N_{x} O_{y}$ . Wykorzystaj równanie na prawo stałości składu:

\frac{N}{O} \Rightarrow \frac{14 x}{16 y} = \frac{30,4}{69,6}

\frac{7 x}{8 y} = 0,44

\frac{x}{y} = 0,44 \cdot \frac{8}{7} = \frac{1}{2}

Wzór empiryczny tego związku to ${NO}_{2}$ .

Związek o podanym wzorze istnieje i może być to jego wzór rzeczywisty. Jednak ze względu na to, że nie znamy masy molowejmasa molowa pierwiastka masy molowej związku, nie można tego powiedzieć na $100\%$ , ponieważ znany jest również związek $N_{2} O_{4}$ , którego wzór empiryczny jest taki sam.

Słownik

wzór empiryczny

najprostszy teoretyczny wzór; wyznaczany jest na podstawie składu procentowegoskład procentowy związku chemicznego składu procentowego oraz mas molowych obecnych w nim pierwiastków

wzór rzeczywisty

wzór oddający faktyczny pod względem ilości i jakości stan atomów (lub jonów) w związku chemicznych; jest on albo identyczny ze wzorem empirycznym (tak jest w przypadku prawie wszystkich związków nieorganicznych) bądź stanowi jego całkowitą wielokrotność

skład procentowy związku chemicznego

udział procentowy masy poszczególnych pierwiastków danego związku chemicznego

stosunek procentowy

stosunek procentowych zawartości masowych pierwiastków w związku chemicznym

stosunek masowy

stosunek mas pierwiastków w cząsteczce

analiza elementarna

metoda analityki chemicznej, badająca skład i strukturę substancji

masa molowa pierwiastka

masa jednego mola atomów danego pierwiastka

mol

jednostka liczności (ilości) materii, podstawowa w układzie SI; jeden mol zawiera dokładnie $6,02 \cdot 10^{23}$ obiektów elementarnych

n = \frac{N}{N_{A}}

oraz

n = \frac{m}{M}

gdzie:

$N$ – liczba drobin (cząsteczek, jonów, atomów);
$m$ – masa substancji wyrażona w gramach;
$M$ – masa molowa wyrażona w $\frac{g}{mol}$ .

masa atomowa

masa pojedynczego atomu pierwiastka chemicznego wyrażona unitach ( $\text u$ )

1 u = \frac{1}{12}

masy atomu węgla

^{12} C

1 u \approx 1,66 \cdot 10^{- 27} kg

masa cząsteczkowa

masa pojedynczej cząsteczki wyrażona w unitach ( $\text u$ ); dla danego związku wylicza się poprzez zsumowanie mas atomowych pierwiastków będących częścią tego związku chemicznego

Bibliografia:

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.

Wprowadzenie

Film samouczek

Ustalanie wzorów empirycznych i rzeczywistych związków chemicznych

Wzór rzeczywisty

Jak wyznaczyć wzór rzeczywisty?

Wzór empiryczny

Jak ustalić wzór empiryczny?

Słownik

Bibliografia: