Молекулярная и эмпирическая формулы

Словарь химических терминов:
молекула: соединение, образующееся в результате соединения 2 или более атомов

n-значение: целое число, которое умножается на эмпирическую формулу для получения молекулярной формулы

Молекулярная формула
Молекулярная формула представляет количество каждого атома, присутствующего в данной молекуле. По сути, это список того, какие элементы содержатся в молекуле, и сколько их каждого.

Молекулярная формула может дать полезную информацию о свойствах молекулы. Это наиболее распространенный способ описания простых молекул рядом с их названиями.

Молекулярные формулы не всегда показывают всю историю – поскольку они перечисляют только идентичность и количество элементов в молекуле, структура иногда может быть неоднозначной. Некоторые соединения имеют одинаковую молекулярную формулу (что означает, что они имеют одинаковые атомы в одинаковых количествах), но расположены по-разному. Соединения с одинаковой формулой, но разной формой или связью между атомами называются изомерами.

Пример:
C6h12o6 → Молекулярная формула, используемая для описания фруктозы, глюкозы и галактозы.

N2o4 → Молекулярная формула, используемая для описания тетраоксида азота.

C5h3n3 → Молекулярная формула, используемая для описания цианопиразина.

Эмпирическая формула
Эмпирическая формула представляет относительное количество элементов в молекуле. Иногда это отличается от молекулярной формулы, которая дает точные количества. Эмпирические формулы полезны, потому что знание относительного количества каждого элемента в молекуле может быть чрезвычайно полезным для определения молекулярной формулы.

Вот простое объяснение:

Эмпирическая формула - это способ выражения состава химического соединения. Он показывает относительные пропорции различных элементов, составляющих соединение, но не фактическое количество или количество атомов. Например, эмпирическая формула для глюкозы (типа сахара) - CH2O, которая говорит нам, что она состоит из углерода, водорода и кислорода, но не дает нам никакой информации о точном количестве атомов каждого элемента.

Чтобы найти эмпирическую формулу соединения, вам необходимо определить относительные пропорции каждого элемента в соединении, а затем выразить эти пропорции в виде упрощенной формулы. Это можно сделать, проанализировав химические свойства соединения или проведя эксперименты.

Чтобы определить истинное число каждого атома в молекуле, важно получить n-значение. Значение n - это целое число, на которое умножается эмпирическая формула для получения молекулярной формулы. Молекулярная формула и эмпирическая формула иногда могут совпадать, если соотношение атомов в молекулярной формуле является самым простым. Другими словами, если n-значение равно 1.

Пример:
CH2O → Эмпирическая формула фруктозы, глюкозы и галактозы после восстановления.

№ 2 → Эмпирическая формула тетроксида азота (N2o4) после восстановления.

C5h3n3 → Эмпирическая формула и молекулярная формула для цианопиразина одинаковы, поскольку соотношение атомов не может быть упрощено.

В чем разница?
Помните, что молекулярная формула представляет собой список – он представляет каждый атом, найденный в молекуле. Молекулярные формулы используются для передачи информации о молекулах во многих ситуациях и иногда могут дать представление о характеристиках соединения.

Эмпирическая формула не обязательно говорит нам, сколько атомов каждого элемента в молекуле. Он показывает только пропорции между ними. Эмпирическая формула в основном используется в экспериментальных условиях, где она действует как ступенька к молекулярной формуле.

В редких случаях эмпирическая формула может быть полезна сама по себе. Например, некоторые химики-органики используют соотношение углерода к кислороду из эмпирической формулы, чтобы быстро оценить, насколько реактивным является химическое вещество. Однако, как правило, эмпирические формулы бесполезны для понимания свойств молекул. В некоторых случаях эмпирические формулы даже невозможно будет рассматривать как молекулярные формулы. Например, бензол (C6h6) имеет эмпирическую формулу CH. CH не является молекулой, которая могла бы существовать на самом деле – это показывает, что, хотя эмпирическая формула является полезным инструментом для поиска некоторой информации, ее не следует использовать для выводов о поведении соединений, которые она представляет.

Пример
Возьмем формулу CH2 O.

Во-первых, рассмотрим это как молекулярную формулу. Существует только один способ построить молекулу с этой формулой. Это химическое вещество называется формальдегид – оно очень токсично, но также очень полезно в реакциях, в качестве бальзамирующего средства и в других местах.

Теперь рассмотрим CH2O как эмпирическую формулу. Какие молекулярные формулы она может представлять? Формальдегид, уксусная кислота (уксус), молочная кислота (важная часть клеточного дыхания) и глюкоза имеют эмпирическую формулу CH2 O.

Все эти молекулы чрезвычайно разные, от простого сахара до опасного канцерогена. Хотя все они имеют одну и ту же эмпирическую формулу, их молекулярные формулы и характеристики сильно различаются.

Как преобразовать молекулярную формулу в ее эмпирическую формулу:

Давайте начнем с соединения, например, этилацетата: C4h8o2
Найдите наибольший общий коэффициент (GCF) между числом каждого атома. В этом случае GCF между 2, 4 и 8 равно 2, то есть 2 - это n-значение.
Разделите число каждого атома на наибольший общий коэффициент (он же n-значение). В этом случае C = 4/2 = 2, H = 8/2 = 4, O = 2/2 = 1.
Замените предыдущие значения каждого атома на вновь рассчитанные. Это привело бы к эмпирической формуле C2h4 O.

Как найти молекулярную формулу, используя ее эмпирическую формулу
Хотя найти эмпирическую формулу из молекулярной формулы может быть немного сложно, сделать обратное чрезвычайно просто. Вы просто умножаете индекс каждого элемента в эмпирической формуле на n-значение.

Может показаться странным, что указано значение n. Причина, по которой нам нужно значение n, чтобы найти ответ, заключается в том, что теоретически существует бесконечное количество молекулярных формул, которые разделяют эмпирическую формулу C3h4n2, по одной на каждое значение n. Поэтому нам нужно заранее знать, “куда мы идем”.

Поиск молекулярных формул по данным

В общем, процедура нахождения молекулярных формул по экспериментальным данным будет следующей:

Запишите моли каждого элемента в образце. Их можно найти по экспериментальным данным, таким как продукты реакции, процентный состав или иным образом.

Найдите элемент с наименьшим количеством молей. Разделите моли каждого элемента на это количество. Это даст отношение каждого элемента к элементу с наименьшим количеством молей. Эти соотношения могут быть не целыми числами, например, 1,33, 2,5 и т. Д.

Если относительные количества являются целыми числами, пропустите этот шаг. В противном случае выберите одно число, чтобы умножить каждое относительное количество каждого элемента на, чтобы они стали целыми числами. Например, C = 1,67, H = 2,33, O = 1 будет преобразовано в C = 5, H = 8, O = 3 путем умножения на 3.

Напишите формулу с индексами, равными числам, полученным на последнем шаге. Приведенный выше пример будет записан C5h8o3. Готово! Это эмпирическая формула.