AP Chemistry

công thức thực nghiệm

empirical formula

Còn gọi: công thức đơn giản nhất · công thức tối giản

Công thức thực nghiệm là công thức hóa học cho biết tỉ lệ số nguyên tử đơn giản nhất của các nguyên tố trong hợp chất.

Trong hóa học, mỗi hợp chất có thể được biểu diễn bằng nhiều loại công thức khác nhau, trong đó công thức thực nghiệm (empirical formula) cho biết tỉ lệ nguyên tử đơn giản nhất giữa các nguyên tố cấu thành. Để xác định công thức này, ta cần biết thành phần phần trăm khối lượng hoặc khối lượng của mỗi nguyên tố trong mẫu, rồi chuyển đổi sang số mol bằng cách chia cho khối lượng mol (molar mass) tương ứng. Sau đó, chia tất cả số mol cho giá trị nhỏ nhất để thu được tỉ lệ nguyên, rồi làm tròn thành các số nguyên tối giản.

Công thức thực nghiệm khác với công thức phân tử (molecular formula) ở chỗ công thức phân tử cho biết số nguyên tử thực tế trong một phân tử, còn công thức thực nghiệm chỉ thể hiện tỉ lệ tối giản. Nhờ đó, nhiều hợp chất khác nhau có thể chia sẻ cùng một công thức thực nghiệm; ví dụ, axetilen $\text{C}_2\text{H}_2$ và benzen $\text{C}_6\text{H}_6$ đều có công thức thực nghiệm là $\text{CH}$ . Ngược lại, nếu biết khối lượng mol phân tử của hợp chất, ta có thể suy ra công thức phân tử từ công thức thực nghiệm bằng hệ thức:

$n = \frac{M}{M_{\text{emp}}}$

Trong đó $M$ là khối lượng mol phân tử và $M_{\text{emp}}$ là khối lượng mol của công thức thực nghiệm; hệ số $n$ cho biết công thức phân tử gấp bao nhiêu lần công thức thực nghiệm.

Vì vậy, việc xác định công thức thực nghiệm thường là bước đầu tiên trong phân tích nguyên tố, đặc biệt khi thí sinh chỉ có dữ liệu phần trăm khối lượng từ phép đốt cháy mẫu. Tuy nhiên, công thức thực nghiệm không cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử hay số nguyên tử thực tế, nên nó chỉ mô tả được thành phần định lượng chứ chưa đủ để phân biệt các hợp chất có cùng tỉ lệ nguyên tử nhưng khác nhau về bản chất.

Ký hiệu

\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z

n = \dfrac{M}{M_{\text{emp}}}

Trực giác: Hãy tưởng tượng một rổ trái cây có tỉ lệ cứ 2 quả cam thì có 1 quả táo; công thức thực nghiệm giống như ghi lại tỉ lệ "2 cam : 1 táo" mà không cần biết rổ có tổng cộng bao nhiêu quả.

Công thức

n = \htmlClass{fp-2}{\frac{\htmlClass{fp-0}{M_{\text{molecular}}}}{\htmlClass{fp-1}{M_{\text{empirical}}}}}

Dùng khi đã biết công thức thực nghiệm và khối lượng mol phân tử (thường đề cho hoặc đo bằng khối phổ), cần suy ra công thức phân tử (molecular formula) bằng cách nhân mọi chỉ số của công thức thực nghiệm với $n$ .

Trong đó

n

Hệ số nhân — số lần công thức thực nghiệm lặp lại trong một phân tử; luôn là số nguyên dương

M_{\text{molecular}}

Khối lượng mol phân tử thực, xác định bằng thực nghiệm (ví dụ từ phổ khối lượng) —

\text{g/mol}

M_{\text{empirical}}

Khối lượng mol của công thức thực nghiệm, tính bằng tổng khối lượng các nguyên tử trong tỉ lệ nguyên đơn giản nhất

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1820–1830

Tên gọi "công thức thực nghiệm" được ghi nhận lần đầu trong tiếng Anh vào khoảng những năm 1820–1830, gắn với cách gọi một công thức chỉ nói lên tỉ lệ rút gọn giữa các nguyên tố mà phép đo trong phòng thí nghiệm cho ra.

Từ điển tiếng Anh ghi nhận cụm từ này xuất hiện lần đầu trong khoảng 1820–1830, tức là nó ra đời cùng thời với giai đoạn hoá học chuyển từ mô tả định tính sang cân đo định lượng. Điều đáng chú ý nằm ở chỗ cái tên không mô tả bản chất của phân tử, mà mô tả cách người ta có được nó: bằng quan sát và đo đạc. Vì vậy, ngay trong tên gọi đã có sẵn một lời thú nhận về giới hạn — thứ thu được từ phép cân đo chỉ là tỉ lệ giữa các nguyên tố, chứ chưa phải số nguyên tử thật sự trong một phân tử.

Hay hiểu sai

Tỉ lệ khối lượng không phải tỉ lệ số nguyên tử.

Công thức thực nghiệm phải là tỉ lệ số nguyên NHỎ NHẤT.

Không được làm tròn số mol trước khi chuẩn hóa.

Có công thức thực nghiệm chưa đủ để kết luận công thức phân tử.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một hợp chất hữu cơ chỉ chứa carbon, hydrogen và oxygen được đem đi phân tích thành phần nguyên tố. Kết quả cho thấy mẫu chứa

2.40

g C,

0.40

g H và

3.20

g O. Một phép đo độc lập bằng phương pháp nghiệm lạnh cho khối lượng mol của hợp chất bằng

180

g/mol. Cho khối lượng mol nguyên tử: C

=12.0

, H

=1.008

, O

=16.0

g/mol.

aXác định công thức thực nghiệm của hợp chất.
bTừ kết quả câu (a) và khối lượng mol đã cho, xác định công thức phân tử (molecular formula) của hợp chất.

1Bước 1: Đổi khối lượng mỗi nguyên tố sang số mol nguyên tử, vì công thức hóa học nói về tỉ lệ số nguyên tử chứ không phải tỉ lệ khối lượng. Ta có

n_C=\dfrac{2.40}{12.0}=0.200

mol,

n_H=\dfrac{0.40}{1.008}=0.397

mol và

n_O=\dfrac{3.20}{16.0}=0.200

mol. Ba con số này chính là số mol nguyên tử của từng nguyên tố có trong mẫu đã cân.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Mol và khối lượng mol” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớitỉ lượng hoá học

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

công thức phân tử (molecular formula)molecular formula

Khác nhau ở đâuCông thức thực nghiệm cho tỉ lệ nguyên tử tối giản của các nguyên tố. Công thức phân tử cho đúng số nguyên tử mỗi nguyên tố trong một phân tử.

Hay nhầm khiKhi đề cho phần trăm khối lượng và khối lượng mol, học sinh nhầm tìm công thức thực nghiệm là xong mà quên bước nhân lên để được công thức phân tử.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13–14, 93.

2Ví dụ 2/2

Một oxide của nitrogen ở thể khí được phân tích và cho phần trăm khối lượng (percent composition) là

30.4\%

N và

69.6\%

O. Phép đo tỉ khối hơi cho biết khối lượng mol của khí này xấp xỉ

92.0

g/mol. Cho khối lượng mol nguyên tử: N

=14.0

, O

=16.0

g/mol.

aXác định công thức thực nghiệm của oxide.
bXác định công thức phân tử và giải thích vì sao hai chất khác nhau vẫn có thể cho cùng một kết quả ở câu (a).

1Bước 1: Khi đề cho phần trăm khối lượng, ta chọn mẫu giả định nặng đúng

100

g để phần trăm biến thành số gam: mẫu chứa

30.4

g N và

69.6

g O. Cách chọn này hợp lệ vì tỉ lệ nguyên tố trong hợp chất không phụ thuộc lượng chất đem phân tích.

2Bước 2: Đổi sang số mol nguyên tử:

n_N=\dfrac{30.4}{14.0}=2.17

mol và

n_O=\dfrac{69.6}{16.0}=4.35

mol. Chia cho số nhỏ hơn,

\dfrac{2.17}{2.17}=1.00

và

\dfrac{4.35}{2.17}=2.00

, nên tỉ lệ nguyên tử là

N:O=1:2

và công thức thực nghiệm là

\mathrm{NO_2}

3Bước 3: Khối lượng của đơn vị công thức

\mathrm{NO_2}

bằng

14.0+2(16.0)=46.0

g/mol. So với khối lượng mol thực đo, hệ số nhân là

n=\dfrac{92.0}{46.0}=2.00

, do đó công thức phân tử là

\mathrm{N_2O_4}

(dinitrogen tetroxide).

4Bước 4: Hai chất

\mathrm{NO_2}

và

\mathrm{N_2O_4}

đều có tỉ lệ nguyên tử

N:O=1:2

, nên phép phân tích khối lượng không phân biệt được chúng. Vì vậy công thức thực nghiệm chỉ mô tả tỉ lệ tối giản, còn số nguyên tử thật trong một phân tử phải do khối lượng mol quyết định.

Công thức thực nghiệm của khí là $\mathrm{NO_2}$ , nhưng vì khối lượng mol đo được gấp đôi khối lượng $46.0$ g/mol của đơn vị công thức nên phân tử thực tế là $\mathrm{N_2O_4}$ . Kết quả này minh họa rõ giới hạn của công thức thực nghiệm: nó cố định tỉ lệ nguyên tố chứ không cố định danh tính của chất.