La formula empirica, spesso indicata come formula minima, indica il rapporto minimo tra gli atomi che costituiscono la molecola. Ad esempio, la formula minima di C6H12O6 è CH2O ottenuta dalla prima dividendo per sei i numeri che compaiono come pedice dei rispettivi elementi.
Per calcolare la formula empirica si seguono i seguenti passaggi:
1) Se si ha la composizione percentuale si assume per comodità di avere 100 g di composto per cui le % diventano grammi
2) Dalla massa di ciascun elemento presente nella molecola, dividendo per il peso atomico di ciascuno si ricavano le moli
3) Si determina il rapporto tra le moli degli elementi dividendo il numero di moli di ciascun elemento per il numero più piccolo ottenuto nel passaggio 2)
4) Se non si ottengono numeri interi, ad esempio 1.5 e 4 si deve moltiplicare per un numero appropriato in modo da ottenere un numero intero: nel nostro caso moltiplicando per 2 si ottiene 3 e 8.
Per calcolare la formula molecolare dalla formula minima bisogna conoscere il peso molecolare.
Esercizi svolti sulla formula empirica
1) La caffeina contiene il 49.48% di carbonio, il 5.190% di idrogeno, il 16.47% di ossigeno e il 28.85% di azoto. Calcolare la formula empirica. Sapendo che il suo peso molecolare è 194.19 g/mol determinare la formula molecolare.
Assumiamo 100 g di composto pertanto le masse degli elementi sono: 49.48 g di carbonio, 5.190 g di idrogeno, 16.47 g di ossigeno e 28.85 g di azoto.
Determiniamo le moli di ciascun elemento. Le moli di C, H, O e N valgono rispettivamente:
C = 49.48 g/ 12.011 g/mol= 4.120
H = 5.190 g/ 1.008 g/mol= 5.149
O = 16.47 g / 15.999 g/mol= 1.029
N = 28.85 g / 14.0067 g/mol= 2.060
Dividiamo per il numero più piccolo, in questo caso 1.029 per trovare il rapporto tra le moli:
C => 4.120/ 1.029 = 4
H => 5.149/ 1.029 = 5
O => 1.029/ 1.029 = 1
N => 2.060/ 1.029 = 2
La formula empirica del composto è quindi C4H5ON2. Per ottenere la formula molecolare calcoliamo il peso molecolare corrispondente alla formula minima che risulta essere pari a ( 4 ∙ 12.011) + 5(1.008) + 15.999 + (2 ∙ 14.0067) = 97.0 g/mol
Determiniamo quante volte il peso molecolare della sostanza è maggiore rispetto al peso molecolare della formula minima: 194.19 g/mol/ 97.0 g/mol = 2
Per ottenere la formula molecolare si deve quindi moltiplicare per 2 la formula minima: C8H10O2N4
2) Un composto contiene il 50.05% di zolfo e il 49.95% di ossigeno in peso. Calcolare la formula empirica del composto. Sapendo che il peso molecolare è di 64.0 g/mol determinare la formula molecolare
Si assumano 100 g di composto pertanto le masse degli elementi sono: 50.05 g di zolfo e 49.95 g di ossigeno.
Convertiamo le massa il moli tramite i pesi atomici:
moli di zolfo = 50.05 g / 32.066 g/mol= 1.561
moli di ossigeno = 49.95 g / 15.999 g/mol = 3.122
Dividiamo per il numero più piccolo, in questo caso 1.561 per trovare il rapporto tra le moli:
1.561/ 1.561 = 1 => S
3.122/ 1.561 = 2 => O
La formula empirica è pertanto SO2. Per ottenere la formula molecolare calcoliamo il peso molecolare corrispondente alla formula minima che risulta essere pari a 32.066 + 2( 15.999)= 64.0 g/mol. Poiché il peso molecolare della formula minima coincide con quella della formula molecolare anche la formula molecolare è SO2.
3) Un composto contiene il 64.80 % di carbonio, il 13.62% di idrogeno e il 21.58% di ossigeno in massa. Determinare la formula empirica. Sapendo che il peso molecolare è di 74.14 g/mol determinare la formula molecolare
Si assumano 100 g di composto pertanto le masse degli elementi sono: 64.80 g di C, 13.62 g di H, 21.58 g di O.
Convertiamo le massa il moli tramite i pesi atomici. Le moli di C, H e O valgono rispettivamente:
C = 64.80 g / 12.011 g/mol= 5.395
H = 13.62 g / 1.008 g/mol= 13.51
O = 21.58 g / 15.999 g/mol= 1.349
Dividiamo per il numero più piccolo, in questo caso 1.349 per trovare il rapporto tra le moli:
5.395/ 1.349 = 4 => C
13.51/ 1.349 = 10 => H
1.349 / 1.349 = 1 => O
La formula empirica è pertanto C4H10O. Per ottenere la formula molecolare calcoliamo il peso molecolare corrispondente alla formula minima che risulta essere pari a 4( 12.011) + 10( 1.008) + 15.999 = 74.12 g/mol. Poiché il peso molecolare della formula minima coincide con quella della formula molecolare anche la formula molecolare è C4H10O.
4) L’ammoniaca reagisce con l’acido fosforico per dare un composto che contiene il 28.2 % di azoto, il 20.8% di fosforo, l’8.1% di idrogeno e il 42.9% di ossigeno. Determinare la formula empirica.
Si assumano 100 g di composto pertanto le masse degli elementi sono: 28.2 g di azoto, 20.8 g di fosforo, 8.1 g di idrogeno e 42.9 g di ossigeno.
Convertiamo le massa il moli tramite i pesi atomici. Le moli di N, P, H e O valgono rispettivamente:
N = 28.2 g / 14.0067 g/mol= 2.01
P = 20.8 g /30.9738 g/mol = 0.672
H = 8.1 g / 1.008 g/mol= 8.04
O = 42.9 g / 15.999 g/mol= 2.681
Dividiamo per il numero più piccolo, in questo caso 0.672 per trovare il rapporto tra le moli:
2.01 / 0.672 = 3 => N
0.672/ 0.672 = 1 => P
8.04 / 0.672 = 12 => H
2.68 / 0.672 = 4 => O
La formula empirica è pertanto N3H12PO4
5) Un composto contenente sodio, cloro e ossigeno ha una percentuale in massa di sodio del 25.42. Se 3.25 g di tale composto forniscono 4.33 x 1022 atomi di ossigeno calcolare la formula empirica.
Le moli di ossigeno sono 4.33 ∙ 1022 / 6.022 ∙ 1023 = 0.0719
La massa di ossigeno in 3.25 g di composto è 0.0719 mol ∙ 15.999 g/mol= 1.15 g
La massa di sodio in 3.25 g di composto è 25.42 ∙ 3.25 /100= 0.826 g che corrispondono a 0.826 g/ 22.9898 g/mol= 0.0359 moli. Per differenza calcoliamo la massa di cloro: 3.25 – ( 1.15 + 0.826)=1.27 g cui corrispondono 1.27 g/ 35.453 g/mol= 0.0359 moli.
Il rapporto tra i vari atomi è: Na 0.0359 Cl 0.0359 O 0.0719
Dividiamo per il numero più piccolo:
0.0359/ 0.0359 = 1 => Na
0.0359/ 0.0359 = 1 => Cl
0.0719/ 0.0359 = 2 => O
La formula empirica del composto è NaClO2
6) L’acido citrico contiene il 37.51 % di carbonio, il 4.20% di idrogeno e il 58.29% di ossigeno. Determinare la formula empirica.
Si assumano 100 g di composto pertanto le masse degli elementi sono: 37.51 g di carbonio, 4.20 g di idrogeno, 58.29 g di ossigeno.
Convertiamo le massa il moli tramite i pesi atomici. Le moli di C, H e O valgono rispettivamente:
C = 37.51 g / 12.011 g/mol=3.12
H = 4.20 g/ 1.008 g/mol=4.17
O = 58.29 g/ 15.999 g/mol= 3.64
Dividiamo per il numero più piccolo, in questo caso 3.12 per trovare il rapporto tra le moli:
3.12 / 3.12 = 1 => C
4.17 / 3.12 = 1.33 => H
3.64 / 3.12 = 1.17 => O
Affinché si ottengano numeri interi si moltiplica per 6 ottenendosi C6H8O7