Kemiska föreningars empiriska formler

5 Kemiska beräkningar: Sammansättning av föreningar och lösningar

Kemiska föreningars empiriska formler

En viktig järnmalm i Sverige är svartmalm som innehåller järnoxiden magnetit. Magnetit innehåller #72 # % järn och #28 # % syre. Med den informationen kan man beräkna magnetits empiriska formel. Det är den formel som, med minsta möjliga heltal, beskriver förhållandet mellan antalet av de olika atomslagen i en kemisk förening. Vi visar med exemplet på nästa sida hur man räknar ut den empiriska formeln.

Viktigt

Empiriska formeln beskriver minsta heltalsförhållandet mellan atomslagen i en kemisk förening.

Hematit är den järnförening som ingår i blodstensmalm, den andra av de två vanligaste järnmalmerna. För att ta reda på hematits formel kan man upphetta finfördelat järn och låta det brinna i överskott av ren syrgas. Man väger järnet noggrant innan man hettar upp det och sedan den bildade föreningen när den har svalnat. Därefter beräknar man substansmängderna av både järn och syre och kan på så sätt bestämma förhållandet mellan antalet järnatomer och syreatomer i hematiten.


	Hematit, den ena av de två vanliga järnmalmerna, kan slipas och poleras för att bli smycken.

Exempel

#8.# Magnetit innehåller #72 \, \%# järn och #28 \, \%# syre. Beräkna magnetits empiriska formel.

Lösning
Antag att massan av magnetiten är #100# g.

Magnetitens massa	#m#(magnetit) #=100# g
Järnets massa	#m#(järn) #= 0,72\cdot 100\text{ g} = 72\text{ g } (72 \, \% \text{ av } 100 \text{ g})#.
Syrets massa	#m#(syre) #=(100-72) \text{ g} = 28 \text{ g}# (det är resten, eftersom magnetit består av enbart järn och syre)

Beräkna därefter substansmängderna av vartdera grundämnet:

Järnets substansmängd	#n(\text{Fe})=\frac{m(\text{Fe})}{M(\text{Fe})}#
	#n(\text{Fe})=\frac{m(\text{Fe})}{M(\text{Fe})} = \frac{72\text{ g}}{55,8 \text{ g/mol}} = 1,290 \text{ mol}#
Syrets substansmängd	#\;n(\text{O})=\frac{m(\text{O})}{M(\text{O})}#
	#\;n(\text{O})=\frac{m(\text{O})}{M(\text{O})} = \frac{28\text{ g}}{16,0 \text{ g/mol}} = 1,750 \text{ mol}#

Till sist, beräkna förhållandet mellan antalet järnatomer och syreatomer i magnetiten:

Förhållandet är #\frac{n(\text{Fe})}{n(\text{O})}=\frac{1,290\text{ mol}}{1,750 \text{1,750}}=0,74\approx \frac{3}{4}#

Det betyder att det i en formelenhet magnetit finns tre järnatomer och fyra syreatomer.

Svar
Magnetits empiriska formel är Fe₃O₄

Exempel

#9.# För att bestämma den empiriska formeln för hematit får #50,8# g finfördelat järn brinna i en stor behållare med ren syrgas. När reaktionsprodukten, hematit, har svalnat väger man den. Massan är #72,6# g. Vilken empirisk formel har hematit?

Lösning
Beräkna syrets massa: #m(\text{O}) = (72,6-50,8)\text{ g} = 21, 8 \text{ g}#

Beräkna substansmängderna och därefter förhållandet mellan antalet järn- och syreatomer i hematiten:

#\begin{align*}
n(\text{Fe})&=\frac{m(\text{Fe})}{M(\text{Fe})} = \frac{50,8\text{ g}}{55,8\text{ g/mol}} = 0,9104\text{ mol} \\
n(\text{O})&=\frac{m(\text{O})}{M(\text{O})} = \frac{21,8\text{ g}}{16,0\text{ g/mol}} = 1,363\text{ mol} \\
\frac{n(\text{Fe})}{n(\text{O})} = \frac{0,9104\text{ mol}}{1,363\text{ mol}} = 0,67 \approx \frac{2}{3}
\end{align*}#

Det här resultatet innebär att det i hematit finns järnatomer och syreatomer i förhållandet #2:3#.

Svar
Den empiriska formeln för hematit är Fe₂O₃.

Molekylen är ofta större än vad den empiriska formeln visar

Etan: Empirisk formel CH₃ men molekylformel C₂H₆.

I exemplen är den empiriska formeln densamma som ämnets formel. Så är det alltid för jonföreningar. Många molekylföreningar består dock av avgränsade molekyler som är större än vad den empiriska formeln visar. Ett exempel på det är gasen etan (som finns i naturgas), vars empiriska formel är CH₃ men som har molekylformeln C₂H₆.

Exempel

#10.# Eten, ett annat ämne i naturgas, innehåller #85,6\, \%# kol och resten väte. Föreningens molmassa är #28,05# g/mol. Vilken är föreningens molekylformel?

Lösning
#100# g eten innehåller #85,6# g kol och #14,4# g väte

Substansmängden kol	#\frac{n(\text{C})}{M(\text{C})}=\frac{85,6\text{ g}}{12,0\text{ g/mol}}=7,13 \text{ mol}#
Substansmängden väte	#\frac{n(\text{H})}{M(\text{H})}=\frac{14,4\text{ g}}{1,01\text{ g/mol}}=14,3 \text{ mol}#
Förhållandet mellan antalet kol- och väteatomer
	#\frac{n(\text{C})}{n(\text{H})} = \frac{7,13\text{ mol}}{14,3\text{ mol}} = 0,50 = \frac{1}{2}#

Slutsats: Den empiriska formeln för eten är CH₂.

Molmassan för en förening med den empiriska formeln CH₂ är #(12,0 + 1,01 \cdot 2)# g/mol #= 14,0# g/mol. Det är hälften så mycket som den här föreningens molmassa, #28,0# g/mol. Etens molekyler är alltså dubbelt så stora jämfört med vad dess empiriska formel anger.

Svar
Etens molekylformel är C₂H₄.

Eten: Empirisk formel CH_2,molekylformel C₂H₄.

Exempel

#11.# Kroppens celler får sin energi från bland annat glukos. Glukos består av #40,0 \, \%# kol, #6,7 \, \%# väte och #53,3 \, \%# syre och har mol massan #180 \text{ g/mol}#. Vilken molekylformel har glukos?

Lösning
Vi räknar på 1 mol glukos. Om glukos består av #40,0 \, \%# kol, är också kolets del #40,0 \, \%# av dess molmassa.

#\Rightarrow m(\text{C}) = 0,400 \cdot 180 \text{ g} = 72,0 \text{ g.}#

Kols molmassa #M(C)=12,0\text{ g/mol} \Rightarrow n(\text{C}) = \frac{m(\text{C})}{M(\text{C})} = \frac{72,0\text{ g}}{12,0\text{ g/mol}} = 6,0 \text{ mol}#

Vätets massa är #6,7 \, \% \Rightarrow m(\text{H}) = 0,076\cdot 180\text{ g} = 12,0 \text{ g}#

Vätets molmassa #M(\text{H}) = 1,01 \text{ g/mol} \Rightarrow n(\text{H}) = \frac{12,0\text{ g}}{1,01 \text{ g/mol}} \approx 12,0 \text{ mol}#

Syrets massa är #53,3 \, \% \implies m(\text{O}) = 0,533 \cdot 180 \text{ g} = 95,9 \text{ g}#

Syrets molmassa #M(\text{O}) = 16,0 \text{ g/mol} \Rightarrow n(\text{O}) = \frac{95,9 \text{ g}}{16,0 \text{ g/mol}}\approx 6,0 \text{ mol}#

Substansmängden förhåller sig så här: #n(\text{C}): \text{H}: \text{O} = 6: 12 :6#

Svar
Glukos har molekylformeln C₆H₁₂O₆.