3.3: Kuamua Fomu za Masi na za Masi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Compute muundo wa asilimia ya kiwanja
• Kuamua formula ya maandishi ya kiwanja
• Kuamua formula ya Masi ya kiwanja

Sehemu iliyotangulia ilijadili uhusiano kati ya wingi wa wingi wa dutu na idadi ya atomi au molekuli iliyo nayo (moles). Kutokana na formula ya kemikali ya dutu hii, mtu anaweza kuamua kiasi cha dutu (moles) kutoka kwa wingi wake, na kinyume chake. Lakini vipi ikiwa formula ya kemikali ya dutu haijulikani? Katika sehemu hii, kanuni hizi zitatumika ili kupata fomu za kemikali za vitu visivyojulikana kutoka kwa vipimo vya majaribio ya majaribio.

Asilimia Muundo

Maumbo ya msingi ya kiwanja hufafanua utambulisho wake wa kemikali, na kanuni za kemikali ni njia inayofaa zaidi ya kuwakilisha babies hii ya msingi. Wakati formula ya kiwanja haijulikani, kupima wingi wa kila moja ya vipengele vyake vya kawaida ni mara nyingi hatua ya kwanza katika mchakato wa kuamua formula kwa majaribio. Matokeo ya vipimo hivi huruhusu hesabu ya muundo wa asilimia ya kiwanja, hufafanuliwa kama asilimia kwa wingi wa kila kipengele katika kiwanja. Kwa mfano, fikiria kiwanja cha gesi kilichojumuisha kaboni na hidrojeni tu. Utungaji wa asilimia ya kiwanja hiki unaweza kuwakilishwa kama ifuatavyo:

$$\%\text{H}=\frac{\text{molekuli H}}{\text{molekuli kiwanja}}\times 100\%$$

$$\%\text{C}=\frac{\text{molekuli C}}{\text{molekuli kiwanja}}\times 100\%$$

Ikiwa uchambuzi wa sampuli ya 10.0-g ya gesi hii ilionyesha kuwa na 2.5 g H na 7.5 g C, muundo wa asilimia utahesabiwa kuwa 25% H na 75% C:

$$\%\text{H}=\frac{2.5\text{g H}}{10.0\text{g kiwanja}}\times 100\%=25\%$$

$$\%\text{C}=\frac{7.5\text{g C}}{10.0\text{g kiwanja}}\times 100\%=75\%$$

Mfano 3.9

Mahesabu ya Asilimia Muundo

Uchambuzi wa sampuli ya 12.04-g ya kiwanja kioevu kilichoundwa na kaboni, hidrojeni, na nitrojeni ilionyesha kuwa na 7.34 g C, 1.85 g H, na 2.85 g N. ni muundo wa asilimia gani ya kiwanja hiki?

Suluhisho

Ili kuhesabu utungaji wa asilimia, ugawanye molekuli inayotokana na majaribio ya kila kipengele kwa wingi wa jumla wa kiwanja, na kisha ubadili kwa asilimia:

$$\begin{array}{c}\\ \%\text{C}=\frac{7.34\text{g C}}{12.04\text{g kiwanja}}\times 100\%=61.0\%\\ \%\text{H}=\frac{1.85\text{g H}}{12.04\text{g kiwanja}}\times 100\%=15.4\%\\ \%\text{N}=\frac{2.85\text{g N}}{12.04\text{g kiwanja}}\times 100\%=23.7\%\end{array}$$

Matokeo ya uchambuzi yanaonyesha kwamba kiwanja ni 61.0% C, 15.4% H, na 23.7% N kwa wingi.

Angalia Kujifunza Yako

Sampuli ya 24.81-g ya kiwanja cha gesi kilicho na kaboni tu, oksijeni, na klorini imedhamiriwa kuwa na 3.01 g C, 4.00 g O, na 17.81 g Cl. Ni nini kiwanja hiki cha asilimia utungaji?

Jibu:

12.1% C, 16.1% O, 71.79% Cl

Kuamua Muundo wa Asilimia kutoka kwa Masi au Mipangilio

Utungaji wa asilimia pia ni muhimu kwa kutathmini wingi wa jamaa wa kipengele kilichopewa katika misombo tofauti ya fomu zinazojulikana. Kwa mfano mmoja, fikiria mbolea za kawaida za nitrojeni (NH ₃), nitrati ya amonia (NH ₄ NO ₃), na urea (CH ₄ N ₂ O). Kipengele cha nitrojeni ni kiungo cha kazi kwa madhumuni ya kilimo, hivyo asilimia kubwa ya nitrojeni katika kiwanja ni wasiwasi wa vitendo na kiuchumi kwa watumiaji wanaochagua kati ya mbolea hizi. Kwa aina hizi za maombi, muundo wa asilimia ya kiwanja hutolewa kwa urahisi kutoka kwa molekuli yake ya formula na raia wa atomiki wa vipengele vyake vya sehemu. Molekuli ya NH ₃ ina atomi moja ya N yenye uzito wa 14.01 amu na atomi tatu H yenye uzito wa jumla ya (3$\times$1.008 amu) = 3.024 amu. Kwa hiyo molekuli ya amonia ni (14.01 amu + 3.024 amu) = 17.03 amu, na muundo wake wa asilimia ni:

$$\begin{array}{c}\\ \%\text{N}=\frac{14.01\text{Namu N}}{17.03\text{amu}{\text{NH}}_3}\times 100\%=82.27\%\\ \%\text{H}=\frac{3.024\text{Ramu H}}{17.03\text{amu}{\text{NH}}_3}\times 100\%=17.76\%\end{array}$$

Mbinu hii inaweza kuchukuliwa kwa kuzingatia jozi ya molekuli, molekuli kadhaa, au mole ya molekuli, nk kiasi cha mwisho ni rahisi zaidi na ingekuwa tu kuhusisha matumizi ya raia molar badala ya atomiki na formula raia, kama alionyesha Mfano 3.10. Muda mrefu kama formula ya molekuli au ya kimapenzi ya kiwanja katika swali inajulikana, utungaji wa asilimia inaweza kuwa inayotokana na raia atomiki au molar ya elementi ya kiwanja.

Mfano 3.10

Kuamua Muundo wa Asilimia kutoka Mfumo wa Masi

Aspirini ni kiwanja na formula ya Masi C ₉ H ₈ O ₄. Asilimia yake ni muundo gani?

Suluhisho

Ili kuhesabu muundo wa asilimia, raia wa C, H, na O katika molekuli inayojulikana ya C ₉ H ₈ O ₄ inahitajika. Ni rahisi kuzingatia 1 mol ya C ₉ H ₈ O ₄ na kutumia molekuli yake ya molar (180.159 g/mole, kuamua kutoka formula ya kemikali) kuhesabu asilimia ya kila moja ya vipengele vyake:

$$\begin{array}{c}\\ \%\text{C}=\frac{9\text{mol C}\times \text{molekuli ya molar C}}{\text{molekuli ya molar}{\text{C}}_9{\text{H}}_8{\text{O}}_4}\times 100=\frac{9\times 12.01\text{g/mol}}{180.159\text{g/mol}}\times 100=\frac{108.09\text{g/mol}}{180.159\text{g/mol}}\times 100\\ \%\text{C}=60.00\%\text{C}\hfill \end{array}$$

$$\begin{array}{c}\\ \%\text{H}=\frac{8\text{mol H}\times \text{molekuli ya molar H}}{\text{molekuli ya molar}{\text{C}}_9{\text{H}}_8{\text{O}}_4}\times 100=\frac{8\times 1.008\text{g/mol}}{180.159\text{g/mol}}\times 100=\frac{8.064\text{g/mol}}{180.159\text{g/mol}}\times 100\\ \%\text{H}=4.476\%\text{H}\hfill \end{array}$$

$$\begin{array}{c}\\ \%\text{O}=\frac{4\text{moll O}\times \text{molekuli ya molar O}}{\text{molekuli ya molar}{\text{C}}_9{\text{H}}_8{\text{O}}_4}\times 100=\frac{4\times 16.00\text{g/mol}}{180.159\text{g/mol}}\times 100=\frac{64.00\text{g/mol}}{180.159\text{g/mol}}\times 100\\ \%\text{O}=35.52\%\hfill \end{array}$$

Kumbuka kuwa asilimia hizi ni sawa na 100.00% wakati ipasavyo mviringo.

Angalia Kujifunza Yako

Kwa tarakimu tatu muhimu, ni asilimia gani ya chuma katika kiwanja Fe ₂ O ₃?

Jibu:

69.9% Fe

Uamuzi wa Fomu za kimapenzi

Kama ilivyoelezwa hapo awali, mbinu ya kawaida ya kuamua formula ya kemikali ya kiwanja ni kupima kwanza raia wa vipengele vyake vya sehemu. Hata hivyo, kukumbuka kwamba kemikali formula kuwakilisha idadi jamaa, si raia, ya atomi katika dutu hii. Kwa hiyo, data yoyote inayotokana na majaribio inayohusisha wingi lazima itumike kupata idadi sambamba ya atomi katika kiwanja. Hii imekamilika kwa kutumia raia wa molar kubadilisha masi ya kila elementi kwa idadi ya moles. Kiasi hiki cha molar hutumiwa kukokotoa uwiano wa nambari nzima ambayo inaweza kutumika kupata formula ya kimapenzi ya dutu hii. Fikiria sampuli ya kiwanja kuamua kuwa na 1.71 g C na 0.287 g H. idadi sambamba ya atomi (katika moles) ni:

$$\begin{array}{l}\\ 1.71\text{g C}\times \frac{1\text{mol C}}{12.01\text{g C}}=0.142\text{mol C}\\ 0.287\text{g H}\times \frac{1\text{mol H}}{1.008\text{g H}}=0.284\text{mol H}\end{array}$$

Hivyo, kiwanja hiki kinaweza kuwakilishwa na formula C _0.142 H _0.284. Kwa mkataba, formula zina scripts nzima-namba, ambayo inaweza kupatikana kwa kugawa kila subscript na subscript ndogo:

$${\text{C}}_{\frac{0.142}{0.142}}{\text{H}}_{\frac{0.284}{0.142}}\text{au}{\text{CH}}_2$$

(Kumbuka kwamba subscripts ya “1” si imeandikwa lakini badala ya kudhani kama hakuna idadi nyingine ni sasa.)

Fomu ya maandishi ya kiwanja hiki ni hivyo CH ₂. Hii inaweza au si kuwa kiwanja ya molekuli formula vilevile; hata hivyo, maelezo ya ziada yanahitajika kufanya uamuzi huo (kama ilivyojadiliwa baadaye katika sehemu hii).

Fikiria kama mfano mwingine sampuli ya kiwanja kuamua kuwa na 5.31 g Cl na 8.40 g O. kufuatia mbinu hiyo hutoa tentative empirical formula ya:

$${\text{Cl}}_{0.150}{\text{O}}_{0.525}={\text{Cl}}_{\frac{0.150}{0.150}}{\text{O}}_{\frac{0.525}{0.150}}={\text{ClO}}_{3.5}$$

Katika kesi hii, kugawanywa na usajili mdogo bado unatuacha na usajili wa decimal katika formula ya maandishi. Ili kubadilisha hii kuwa nambari nzima, kuzidisha kila scripts kwa mbili, kubaki uwiano sawa wa atomi na kutoa Cl ₂ O ₇ kama formula ya mwisho ya upimaji.

Kwa muhtasari, kanuni za upimaji zinatokana na raia wa kipengele kilichopimwa kwa majaribio na:

1. Kupata idadi ya moles ya kila kipengele kutoka kwa wingi wake
2. Kugawanya kiasi cha kila kipengele cha molar kwa kiasi kidogo cha molar ili kuzalisha michango kwa formula ya majaribio ya majaribio
3. Kuzidisha coefficients zote kwa integer, ikiwa ni lazima, ili kuhakikisha kuwa uwiano mdogo kabisa wa idadi ya usajili unapatikana

Kielelezo 3.11 muhtasari utaratibu huu katika mtiririko chati mtindo kwa dutu zenye vipengele A na X.

Kielelezo 3.11 Fomu ya maandishi ya kiwanja inaweza kupatikana kutoka kwa raia wa vipengele vyote katika sampuli.

Mfano 3.11

Kuamua Mfumo wa Mipangilio ya Kiwanja kutoka kwa Misa ya Mambo Yake

Sampuli ya hematite nyeusi ya madini (Kielelezo 3.12), oksidi ya chuma iliyopatikana katika ores nyingi za chuma, ina 34.97 g ya chuma na 15.03 g ya oksijeni. Nini formula ya empirical ya hematite?

Kielelezo 3.12 Hematite ni oksidi ya chuma ambayo hutumiwa katika kujitia. (mikopo: Mauro Cateb)

Suluhisho

Tatizo hili hutoa wingi kwa gramu za kila kipengele. Anza kwa kutafuta moles ya kila mmoja:

$$\begin{array}{l}\\ 34.97\text{g Fe}\left(\frac{\text{mol Fe}}{55.85\text{g}}\right)& =& 0.6261\text{mol Fe}\hfill \\ 15.03\text{g O}\left(\frac{\text{moll O}}{16.00\text{g}}\right)& =& 0.9394\text{moll O}\hfill \end{array}$$

Kisha, hupata uwiano wa chuma-kwa-oksijeni molar kwa kugawa na idadi ndogo ya moles:

$$\begin{array}{}\\ \\ \frac{0.6261}{0.6261}=1.000\text{mol Fe}\\ \frac{0.9394}{0.6261}=1.500\text{moll O}\end{array}$$

Uwiano ni 1.000 mol ya chuma hadi 1.500 mol ya oksijeni (Fe ₁ O _1.5). Hatimaye, kuzidisha uwiano na mbili kupata ndogo iwezekanavyo idadi nzima subscripts wakati bado kudumisha sahihi chuma-kwa-oksijeni uwiano:

$$2\left({\text{Fe}}_1{\text{O}}_{1.5}\right)={\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$$

Fomu ya upimaji ni Fe ₂ O ₃.

Angalia Kujifunza Yako

Je! Ni fomu gani ya kiwanja ikiwa sampuli ina 0.130 g ya nitrojeni na 0.370 g ya oksijeni?

Jibu:

KATIKA ₂ YA ₅

Unganisha na Kujifunza

Kwa mifano ya ziada ya kazi inayoonyesha utoaji wa formula za maandishi, angalia video fupi ya video.

Kupata Fomula za kimapenzi kutoka kwa Asilimia ya

Hatimaye, kuhusiana na deriving formula empirical, fikiria matukio ambayo kiwanja cha asilimia utungaji inapatikana badala ya raia kamili ya vipengele Constituent kiwanja. Katika hali hiyo, utungaji wa asilimia unaweza kutumika kuhesabu raia wa vipengele vilivyopo katika molekuli yoyote rahisi ya kiwanja; raia hizi zinaweza kutumiwa kupata formula ya upimaji kwa mtindo wa kawaida.

Mfano 3.12

Kuamua Mfumo wa Mipangilio kutoka kwa Asilimia ya

Fermentation ya bakteria ya nafaka kuzalisha ethanol huunda gesi yenye muundo wa asilimia 27.29% C na 72.71% O (Mchoro 3.13). Nini formula empirical kwa gesi hii?

Kielelezo 3.13 Oxide ya kaboni huondolewa kwenye mizinga hii ya fermentation kupitia mabomba makubwa ya shaba hapo juu. (mikopo: “Dual Freq” /Wikimedia Commons)

Suluhisho

Kwa kuwa kiwango cha asilimia ni 100, ni rahisi zaidi kuhesabu wingi wa vipengele vilivyopo katika sampuli yenye uzito wa 100 g. hesabu ni “rahisi zaidi” kwa sababu, kwa ufafanuzi wa muundo wa asilimia, wingi wa kipengele kilichopewa katika gramu ni numerically sawa na wingi wa kipengele asilimia. Ulinganifu huu wa namba unatokana na ufafanuzi wa kitengo cha “asilimia”, jina lake linatokana na maneno ya Kilatini kwa sentimita inayomaanisha “kwa mia.” Kuzingatia ufafanuzi huu, asilimia kubwa zinazotolewa zinaweza kuelezwa kwa urahisi zaidi kama sehemu ndogo:

$$\begin{array}{l}\\ 27.29\%\text{C}& =\hfill & \frac{27.29\text{g C}}{100\text{g kiwanja}}\hfill \\ 72.71\%\text{O}& =\hfill & \frac{72.71\text{g O}}{100\text{g kiwanja}}\hfill \end{array}$$

Kiasi cha molar cha kaboni na oksijeni katika sampuli ya 100-g huhesabiwa kwa kugawa molekuli ya kila kipengele kwa molekuli yake ya molar:

$$\begin{array}{l}\\ 27.29\text{g C}\left(\frac{\text{mol C}}{12.01\text{g}}\right)& =\hfill & 2.272\text{mol C}\hfill \\ 72.71\text{g O}\left(\frac{\text{moll O}}{16.00\text{g}}\right)& =\hfill & 4.544\text{moll O}\hfill \end{array}$$

Coefficients kwa formula ya majaribio ya majaribio yanatokana na kugawanya kila kiasi cha molar kwa mdogo wa mbili:

$$\begin{array}{}\\ \\ \frac{2.272\text{mol C}}{2.272}=1\\ \frac{4.544\text{moll O}}{2.272}=2\end{array}$$

Kwa kuwa uwiano unaosababishwa ni kaboni moja hadi atomi mbili za oksijeni, formula ya empirical ni CO ₂.

Angalia Kujifunza Yako

Je, ni formula ya maandishi ya kiwanja kilicho na 40.0% C, 6.71% H, na 53.28% O?

Jibu:

_{SURA 2} O

Utoaji wa Fomu za Masi

Kumbuka kwamba formula empirical ni alama anayewakilisha idadi jamaa ya mambo ya kiwanja. Kuamua idadi kamili ya atomi ambazo hutunga molekuli moja ya kiwanja cha covalent inahitaji ujuzi wa formula yake ya kimapenzi na molekuli yake ya Masi au molekuli ya molar. Kiasi hiki kinaweza kuamua majaribio na mbinu mbalimbali za kupima. Masi ya molekuli, kwa mfano, mara nyingi hutokana na wigo wa wingi wa kiwanja (tazama majadiliano ya mbinu hii katika sura ya awali juu ya atomi na molekuli). Masi ya molar inaweza kupimwa na mbinu kadhaa za majaribio, ambazo nyingi zitaanzishwa katika sura za baadaye za maandiko haya.

Fomula za molekuli zinatokana na kulinganisha kiwanja cha molekuli au molekuli ya molekuli kwa molekuli yake ya kimapenzi Kama jina linavyoonyesha, molekuli ya formula ya kimapenzi ni jumla ya raia wa atomia wastani wa atomi zote zinazowakilishwa katika formula ya kimapenzi. Ikiwa molekuli ya molekuli (au molar) ya dutu hii inajulikana, inaweza kugawanywa na molekuli ya formula ya kimapenzi ili kutoa idadi ya vitengo vya formula za kimapenzi kwa molekuli (n):

$$\frac{\text{molekuli au molekuli molar}\left(\text{amu au}\frac{\text{g}}{\text{mol}}\right)}{\text{empirical formula habari}\left(\text{amu au}\frac{\text{g}}{\text{mol}}\right)}=n\text{formula vitengo/mole}$$

Fomu ya Masi ni kisha kupatikana kwa kuzidisha kila subscript katika formula empirical na n, kama inavyoonekana na generic empirical formula A _x B _y:

$${({\text{A}}_{\text{x}}{\text{B}}_{\text{y}})}_{\text{n}}={\text{A}}_{\text{nx}}{\text{B}}_{\text{ny}}$$

Kwa mfano, fikiria kiwanja covalent ambao empirical formula imedhamiria kuwa CH ₂ O. empirical formula molekuli kwa kiwanja hiki ni takriban 30 amu (jumla ya 12 amu kwa moja C atomi, 2 amu kwa atomi mbili H, na 16 amu kwa moja O atomi). Ikiwa masi ya molekuli ya kiwanja imedhamiriwa kuwa 180 amu, hii inaonyesha kwamba molekuli za kiwanja hiki zina mara sita idadi ya atomi zinazowakilishwa katika formula ya kimapenzi:

$$\frac{180\text{amu/molekuli}}{30\frac{\text{amu}}{\text{kitengo cha formula}}}=6\text{formula vitengo/mole}$$

Molekuli ya kiwanja hiki ni kisha kuwakilishwa na formula Masi ambao subscripts ni mara sita zaidi kuliko wale katika formula empirical:

$${\text{(CH}}_{\text{2}}{\text{O)}}_{\text{6}}={\text{C}}_{\text{6}}{\text{H}}_{\text{12}}{\text{O}}_{\text{6}}$$

Kumbuka kuwa mbinu hiyo hiyo inaweza kutumika wakati molekuli ya molar (g/mol) badala ya molekuli ya Masi (amu) inatumiwa. Katika kesi hiyo, mole moja ya vitengo vya formula ya empirical na molekuli inachukuliwa, kinyume na vitengo moja na molekuli.

Mfano 3.13

Uamuzi wa Mfumo wa Masi kwa Nikotini

Nikotini, alkaloid katika nightshade familia ya mimea ambayo ni hasa wajibu wa asili addictive ya sigara, ina 74.02% C, 8.710% H, na 17.27% N. Kama 40.57 g ya nikotini ina 0.2500 mol nikotini, ni nini formula Masi?

Suluhisho

Kuamua formula ya Masi kutoka kwa data iliyotolewa itahitaji kulinganisha kwa wingi wa formula ya kiwanja kwa wingi wake wa molar. Kama hatua ya kwanza, tumia utungaji wa asilimia ili kupata fomu ya kiwanja cha maandishi. Kutokana na urahisi, sampuli ya 100-g ya nikotini hutoa kiasi cha molar zifuatazo cha vipengele vyake:

$$\begin{array}{l}\\ \left(74.02\text{g C}\right)\left(\frac{1\text{mol C}}{12.01\text{g C}}\right)& =\hfill & 6.163\text{mol C}\hfill \\ \left(8.710\text{g H}\right)\left(\frac{1\text{mol H}}{1.01\text{g H}}\right)& =\hfill & 8.624\text{mol H}\hfill \\ \left(17.27\text{g N}\right)\left(\frac{1\text{mol N}}{14.01\text{g N}}\right)& =\hfill & 1.233\text{mol N}\hfill \end{array}$$

Kisha, hesabu uwiano wa molar wa vipengele hivi kuhusiana na kipengele kidogo zaidi, N.

$$6.163\text{mol}C/1.233\text{mol}\mathrm{N}=5$$

$$8.264\text{mol}H/1.233\text{mol}\mathrm{N}=7$$

$$1.233\text{mol}N/1.233\text{mol}\mathrm{N}=1$$

$$\begin{array}{lll}\frac{1.233}{1.233}& =\hfill & 1.000\text{mol N}\hfill \\ \frac{6.163}{1.233}& =\hfill & 4.998\text{mol C}\hfill \\ \frac{8.624}{1.233}& =\hfill & 6.994\text{mol H}\hfill \end{array}$$

C-to-N na H -n uwiano wa kutosha karibu na idadi nzima, na hivyo formula empirical ni C ₅ H ₇ N. empirical formula molekuli kwa kiwanja hiki ni kwa hiyo 81.13 amu/formula kitengo, au 81.13 g/mol formula kitengo.

Tumia molekuli ya molar kwa nikotini kutoka kwa wingi uliopewa na kiasi cha molar cha kiwanja:

$$\frac{40.57\text{g nikotini}}{0.2500\text{mol nikotini}}=\frac{162.3\text{g}}{\text{mol}}$$

Kulinganisha molekuli ya molar na molekuli ya formula ya empirical inaonyesha kwamba kila molekuli ya nikotini ina

$$\frac{162.3\text{g/mol}}{81.13\frac{\text{g}}{\text{kitengo cha formula}}}=2\text{formula vitengo/mole}$$

Hatimaye, hupata formula Masi kwa nikotini kutoka formula empirical kwa kuzidisha kila subscript na mbili:

$${\text{(C}}_{\text{5}}{\text{H}}_{\text{7}}{\text{N)}}_{\text{2}}={\text{C}}_{\text{10}}{\text{H}}_{\text{14}}{\text{N}}_{\text{2}}$$

Angalia Kujifunza Yako

Je, ni formula ya Masi ya kiwanja yenye muundo wa asilimia 49.47% C, 5.201% H, 28.84% N, na 16.48% O, na molekuli ya molekuli ya 194.2 amu?

Jibu:

C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂