Föreläsning 3
Atomvikt
Kovalenta föreningar är ämnen som bildas när icke-metalliska atomer kombineras kemiskt. De flestaföreningar har en fastatomär sammansättning. Formeln för ett ämne anger dess atomära sammansättning. Glukos, ett enkelt socker, har till exempel formeln C6H12O6. Detta innebär att 6 kolatomer är bundna till 12 väteatomer och 6 syreatomer i varje glukosmolekyl. Teoretiskt sett skulle vi kunna kombinera elementärt C, O och H i rätt proportioner och skapa en glukosmolekyl. Kol, i sitt vanligaste tillstånd, finns i fast form som grafit. Syre finns som den tvåatomiga gasmolekylen O2 och väte finns som den tvåatomiga gasen H2.
Den minsta påvisbara grafitspetten skulle innehålla ungefär 1 x 1016 kolatomer, så vi kommer inte att kunna väga en enda atom. I stället har man valt att tilldela massan av en kolatom ett värde. Per definition har atommassan för 12C (kol med 6 protoner och 6 neutroner) fastställts till 12 amu (atommasseenheter). Men när du slår upp kolets atommassa i en tabell visas den som 12,01 amu. Detta beror på att kol finns som ett antal olika isotoper. De vanligaste isotoperna av kol är 12C och 13C (6 protoner och 7 neutroner). 13Cs amu har bestämts till 13,00335 amu. Den är tyngre än 12C eftersom den har en extra neutron och eftersom neutroner har något högre massa än protoner. 12C är vanligare (98,9 %) än 13C (1,10 %), vilket är anledningen till att den angivna massan för C ligger närmare 12(12,01) än 13,00335. Den angivna atommassan representerar en genomsnittlig atommassa för naturligt förekommande kol. Den beräknades på följande sätt:
Genomsnittlig atommassa för C = (.9890)(12 amu) + (.01100)(13.00335) = 12,01 amu
Ingen riktig kolatom har en massa på 12,01 amu. De flesta kolatomer har en atommassa på 12 amu och några få har en atommassa på 13,00335 amu. H:s atommassa har bestämts till 1,0079 amu och O:s atommassa till 15,9994 amu. Även detta är genomsnittliga värden för de vanliga isotoperna av dessa grundämnen.
Avogadros tal och molarmassa
Nu har vi ett mått på elementens relativa massa. Det skulle vara praktiskt användbart att på något sätt omvandla amu till gram, en enhet som vi faktiskt kan mäta. Även det minsta provet av ett grundämne innehåller ett enormt antal atomer. Därför skulle det vara praktiskt att ha en särskild enhet som beskriver ett mycket stort antal atomer. Denna enhet kallas mol och är SI:s enhet för kvantitet. Papper säljs i ramar (500 ark), ägg säljs per dussin (12), atomer och molekyler mäts i mol. En mol definieras som antalet 12C-atomer i exakt 12 gram 12C. Detta tal har experimentellt fastställts till 6,022 x 1023 och kallas Avogadros tal, NA.
6,022 x 1023atomer 12C = 12 g 12C
1 atom 12C= 12 amu
6,022 x 1023atomer = 1 mol atomer
Med dessa omräkningsfaktorer kan vi bestämma massan för en enda 12C-atom.
12g 12C 6,022 x 1023 atomer =12 g/mol = molarmassa av 12C
6,022 x 1023atomer 1 mol
Atommassorna för alla grundämnen harentablerats som amu. Detta samma nummer är också den molära massan i g/mol för varje grundämne.
Om vi väger ett kolprov på 12,01 g har vi alltså 6,022 x 1023 atomer av kol i vårt prov. Om vi tittar på vår formel för glukos (C6H12O6) kan vi se att vi behöver dubbelt så många H-atomer som C-atomer. Vårt kolprov på 12,01 g innehåller 1 mol kolatomer. Vi behöver därför 2 mol H-atomer. Hur många gram H-atomer blir det? Vi kan använda oss av omvandlingsfaktorn som relaterar amu till gram/mol av ett ämne.
2 mol H 1,0079 g H = 2,0158 g H
mol H
Hur mycket syre behövs? Formeln anger att för varje mol kol behövs en mol syre. Vi behöver alltså 1 mol O-atomer.
1 mol O 15,9994g O = 15.9994 g O
mol O
Vårt utgångsmaterial skulle väga 12,01 g + 2,0158 g + 15,9994 g = 30,03 g.
Detta skulle också vara massan av glukos som skulle kunna tillverkas av dessa ämnen. Hur många mol och molekyler glukos skulle detta vara?
Massan av en molekyl glukos, C6H12O6,skulle vara summan av atommassorna av dess grundämnen:
6 x 12,011 (amu av C) + 12 x 1,0079 (amu av H) + 6 x 15,9994(amu av O) = 180,157 amu
180,157 amu = 180.157 g/mol
30.03 g glukos 1 mol glukos = 0,1667 mol glukos
180.157 g glukos
0,1667mol glukos 6,022 x 1023molekyler glukos = 1.004 x 1023 molekyler glukos
mol glukos
Procentuell sammansättning
Ett annat sätt att beskriva ett ämnes sammansättning är i termer av dess procentuella sammansättning, dvs. den procentuella massan av grundämnena i ämnet. Detta är information som kan erhållas experimentellt och som kan användas för att härleda den empiriska formeln för en förening, vilket kommer att diskuteras nedan. Låt oss nu definiera vad som menas med procentuell sammansättning genom att bestämma den procentuella sammansättningen av natriumnitrit, NaNO2. Beräkna först den molära massan:
molär massa = 1 mol Na (22,99 g/mol)
+1 mol N (14,01 g/mol)
+2 mol O (16,00 g/mol)
69,00 g/mol NaNO3
Den procentuella sammansättningen av grundämnena är då:
% Na = 22.99g x 100% = 33,32%
69,00g
% N = 14,01g x 100% = 20,30%
69,00g
%O = 32,00g x 100% = 46,38%
69,00g
Det är möjligt att använda denna metod för att bestämma formeln för ett okänt ämne.
Analysen av en okänd förening visar följande procentuella sammansättning:
40,92 viktprocent kol
4,58 viktprocent väte
54.50 % syre, i vikt
Först antar vi att du har att göra med en viss mängd av det okända, till exempel 100 gram.
40,92 % = 0,4092 x 100 g = 40,92 g C
4,58 % = 0,058 x 100 g = 4,58 g H
54,50 % = 0,5450 x 100 g = 54.50 g O
Då atomer kombineras på molär basis, inte genom massa, omvandla dessa gram av grundämnen till mol av de olika grundämnena.
40,95 g C 1 mol C = 3,407 mol C
12,01 g C
4.58g H 1 mol H = 4,54 mol H
1,008 g H
54,5g O 1 mol O = 3,406 mol O
16,00 g O
Dessa siffror anger det relativa antalet mol av vart och ett av de tre elementen i föreningen. Vi kan nu skriva en formel baserad på dem:
C3.407 H4.54O3.40
Hela atomer kombineras dock för att bilda molekyler, inte bråkdelar av atomer. Dela därför var och en av dessa faktorer med den minsta faktorn, 3,406. Detta ger:
CH1.333O
Det finns fortfarande en fraktionell subscript. Hitta en faktor som omvandlar 1,333 till ett helt tal:
1,333 x 1 = 1,333
1,333 x 2 = 2,666
1,333 x 3 = 4,000
1,333 x 4 = 5.333
Multiplicera nu alla substitut med denna faktor:
C3H4O3
Detta kallas den empiriska formeln, som anger det relativa antalet av varje typ av atom i denna molekyl. Detta innebär att molekylen kan vara:
C3H4O3
C6H8O6
C9H12O9
med andra ord: (C3H4O3)n
Den empiriska formeln för massan (C3H4O3)är: 3(12,01 g/mol C)
+4(1,008 g/mol H)
+3(16,00 g/mol O)
88,06 g/mol
Detta innebär att molekylmassan kommer att vara någon multipel av detta värde. Om vi får veta att molekylmassan är 176,12 g/mol kan vi bestämma molekylformeln.
(C3H4O3)n =176,12 g/mol
(C3H4O3) = 88,06g/mol
(88,06)n = 176,12
n = 2
Så molekylformeln skulle vara C6H8O6.
Den vanligaste användningen av dessa beräkningar är att bestämma den empiriska massan för en ny eller okänd förening utifrån den produkt som bildas vid förbränning av den okända föreningen (förbränningsreaktion). I denna reaktion omvandlas allt kol i föreningen till CO2, koldioxid. Allt väte i föreningen omvandlas till H2O, vatten. Massan av CO2 och H2O mäts noggrant och används sedan för att få fram en empirisk formel.
11,5 g av en okänd förening förbränns och ger 22,0 g koldioxid och 13,5 g H2O. Vilken är den empiriska formeln för föreningen?
Alt kolet i CO2 kom från provet. Beräkna därför först antalet mol kol i 22,0 g CO2.
22,0 g CO2 mol CO2 1 mol C = 0,500 mol C
44,01 g CO2 1 mol CO2
Alt vätgasen i vattnet kom från den okända, så beräkna antalet mol väte i 13.
13,5 g H2O 1 mol H2O 2 mol H = 1,50 mol H
18,03 g H2O 1 mol H2O
Vi måste också bestämma om syret i CO2 och H2O kom från den okända, eller om det var omgivningens syre som användes i förbränningsreaktionen. För att avgöra detta måste vi jämföra massan av den okända med massan av väte och kol som vi vet kom från den okända.
massan okänd = massan väte + massan kol + massan syre
massan väte = 1,50 mol H 1,0079 g H = 1.51 g H
1 mol H
massakolväte= 0.500 mol O 12.011 g C =6.00 g O
1 mol C
massunknown = 11.5 g = 1,51 g + 6,00 g + massoxygen
massoxygen = 4,0 g
Så 4,0 g av syret måste ha kommit från den okända. Konvertera detta till mol syre
4,0 g O 1 molO = 0,25 mol O
15,9994 g O
Nu kan vi bestämma den okändes empiriskaformel. Sätt först in det beräknade antalet mol i formeln: