تحديد تجريبي للصيغة الكيميائية

تحدد التركيبة الأولية لمركب هويته الكيميائية، وتُشكل الصيغ الكيميائية الطريقة الأكثر إيجازاً لتمثيل هذه التركيبة الأولية. وعندما تكون صيغة المركب’s غير معروفة، فإن قياس كتلة العناصر المكونة له يكون غالباً الخطوة الأولى في تحديد الصيغة تجريبيا.

تحديد الصيغ التجريبية

إن النهج الأكثر شيوعاً في تحديد الصيغة الكيميائية للمركب’s يتلخص أولاً في قياس كتل العناصر المكونة له. ومع ذلك، تمثل الصيغ الكيميائية الأعداد النسبية وليس كتل الذرات في المادة. لذلك، يجب استخدام أي بيانات مشتقة من التجارب تتضمن الكتلة للحصول على الأعداد المتناظرة للذرات في المركب. ويتم ذلك باستخدام الكتل المولية لتحويل كتلة كل عنصر إلى عدد المولات الخاص به. وتُستخدم هذه الكميات المولية لحساب نسب الأعداد الكلية التي يمكن استخدامها لاستخلاص الصيغة التجريبية للمادة.

لنعتبر أن عينة من مركب ما تم استنتاج أنها تحتوي 1.71 جرامًا من الكربون و0.287 جرامًا من الهيدروجين. هذا يقابله أعداد للذرات هي 0.142 مولات من الكربون و0.284 مولات من الهيدروجين. وبالتالي، يمكن تمثيل هذا المركب بالصيغة C_0.142H_0.284. بحسب الأصول، تحتوي الصيغ على أرقام سفلية كاملة، وهذا يمكن تحقيقه عن طريق تقسيم كل رقم سفلي على أصغر رقم سفلي والذي هو (0.142). وبالتالي فإن الصيغة التجريبية لهذا المركب هي CH₂. فالأرقام السفلية الأحادية “1” لا تكتب بل يتم افتراضها عندما لا يكون هناك رقم آخر. وقد تكون هذه هي حقاً الصيغة الجزيئية للمركب’s أو قد لا تكون؛ ولهذا فإن معلومات إضافية لاتخاذ هذا القرار هي مطلوبة.

وكمثال ثان، يتم تحديد عينة من المركب بحيث تحتوي على 5.31 جرامًا من الكلور و8.40 جرامًا من الأكسجين. اتخاذ نفس النهج ينتج عنه صيغة تجريبية مؤقتة من ClO_3.5. في هذه الحالة، لا تزال القسمة على أصغر رقم سفلي تترك كسرًا عشريًا في الصيغة التجريبية. ولتحويل هذا الرقم إلى عدد صحيح، اضرب كل الأرقام السفلية في اثنين، مع الاحتفاظ بنفس نسبة الذرة وهذا يعطينا Cl₂O₇ كصيغة تجريبية نهائية.

استخلاص الصيغ التجريبية من تركيب النسبة المئوية

في الحالات التي يتوفر فيها التركيب المئوي لمركب، يتم استخدامه لحساب كتل العناصر الموجودة في المركب. بما أن مقياس النسب المئوية هو 100، فمن الملائم حساب كتلة العناصر الموجودة في عينة تزن 100 جرامًا. وتُستخدم الكُتل المحسوبة لاستخلاص الصيغة التجريبية.

على سبيل المثال، افترض أن مركباً غازيّاً يحتوي على 27.29% C و72.71% O. وبالتالي، يتم التعبير عن النسب المئوية للكتلة ككسور:

وتتطابق كتلة الكربون، 27.29 غ، مع 2.272 مول من الكربون، وتتطابق كتلة الأكسجين، 72.71 غ، مع 4.544 مول من الأكسجين. ولذلك فإن الصيغة التمثيلية هي C_2.272O_4.544. إن قسمة كل رقم سفلي على 2.272 تعطينا الصيغة التجريبية: CO₂. 

اشتقاق الصيغ الجزيئية

يتطلب تحديد الأعداد المطلقة للذرات التي تكوّن جزيء واحد من مركب تساهمي معرفة كل من صيغته التجريبية وكتلته الجزيئية أو كتلته المولية. وقد يتم تحديد هذه الكميات من خلال أساليب قياس مختلفة. فالكتلة الجزيئية، على سبيل المثال، غالباً ما تستمد من الطيف الكتلِ للمركب.

ويتم اشتقاق الصيغ الجزيئية من خلال مقارنة الكتلة المولية للمركب أو الكتلة الجزيئية مع كتلة صيغته التجريبية. وكما يقترح الاسم، فإن كتلة الصيغة التجريبية هي مجموع متوسط الكتلة الذرية لجميع الذرات الممثلة في صيغة تجريبية. إذا كانت الكتلة المولية المعروفة للمادة مقسومة على كتلة الصيغة التجريبية، فإنها تنتج عدد وحدات الصيغة التجريبية لكل جزيء (n).  

يتم بعدها الحصول على الصيغة الجزيئية عن طريق ضرب كل نص فرعي في الصيغة التجريبية في n، كما هو موضح في الصيغة التجريبية العامة Axby:

على سبيل المثال، يتم تحديد الصيغة التجريبية لمركب تساهمي على أنها CH2O، وتبلغ كتلة صيغتها التجريبية 30 وحدة دولية تقريبًا. وإذا تم تحديد الكتلة الجزيئية للمركب بأنها 180 وحدة دولية فإن هذا يشير إلى أن جزيئات هذا المركب تحتوي على ستة أضعاف عدد الذرات الممثلة في الصيغة التجريبية.  

يتم بعدها تمثيل جزيئات هذا المركب بواسطة صيغة جزيئية تحتوي على أرقام سفلية هي ست أضعاف أكبر من تلك الموجودة في الصيغة التجريبية: (cH2O)₆ = C6H12O6.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 3.2: Determining Empirical and Molecular Formulas.