判斷化合物的化學式（上）

化學原理啟迪25

1.           當我們製造出一個新的化合物，第一件引起人興趣的事情就是它的化學式。

2.           化學式的判斷方法是透過測量樣品的重量，可能透過分解它的組成元素（原子），也可能透過與氧起反應，產生像「二氧化碳CO2」、「水H2O」、「氮氣N2」之類的物質，收集它們，然後一一測量每一個成分的重量。

3.           概略地說明分析化合物成分的儀器如下：在第1段火爐空間中，灌入過多的「氧氣」使樣品燃燒，於是樣品內的「碳」轉換成「二氧化碳」，所有的「氫」轉換成「水」；

4.           產生的「二氧化碳」和「水」透過恰當的物質吸收，儲存在第2段和第3段空間，透過測量吸收「二氧化碳」和「水」的物質的重量增加多少，可以得知樣品「碳」與「氫」的重量。

5.           這個分析方式能提供化合物中每一種元素的質量，這個資訊可用來判斷每種元素在化合物中的重量百分比（質量百分比）。

6.           假設有一個物質，是由碳、氫、氮組合而成；這個物質重0.1156g，和「氧」起反應產生0.1638g的「二氧化碳」，和0.1676g的「水」。

7.           假設這個化合物所有的「碳」都轉換成「二氧化碳」，我們就可以判斷在0.1156g樣品中所含的「碳」的重量。為了知道樣品中的含「碳」量，我們必須弄清楚「二氧化碳」中的碳含量。

8.           二氧化碳CO2的莫耳重量molar mass是，碳12.011g/mol ＋ 氧2(15.999)g/mol＝44.009 g/mol。

9.           二氧化碳中的「碳」的重量百分比，就是12.011g/mol碳÷44.009g/mol二氧化碳 ；那麼，我們就可求出在0.1638g的二氧化碳中，「碳」的重量是多少？

0.1638g二氧化碳 × （12.011g碳 / 44.009g二氧化碳） = 0.04470g碳

10.       0.04470g「碳」是從不知名的樣品0.1156g而來的。因此這個化合物中，「碳」的重量百分比是：

（0.04470g 「碳」/0.1156g「樣品化合物」）× 100％ ＝ 38.67％ 碳

11.       用同樣的步驟，可以求出「氫」的重量百分比。我們假設0.1156g的樣品化合物，都轉換成「水」。水的莫耳量是18.015公克，並且，在水分子中，「氫」的比例是2.016g氫/18.015g水。因此，在0.1676g的水中，「氫」的質量是：

0.1676g 水 × （2.016gH/18.015g水）=0.001876g氫

12.       在樣品化合物中，「氫」的重量百分比是：

0.01876g 氫 / 0.1156g樣品化合物 × 100％ ＝ 16.23％ 氫

13.       不知名的化合物的組成成分只有「碳」、「氫」和「氮」。到目前為止，我們已經確定「碳」的比重是38.67％，「氫」的比重是16.23％。剩下元素就是「氮」：

100.00％ –（38.67％碳+16.23％氫）＝45.10％氮

14.       我們已經確定了，這個化合物有38.67％碳、16.23％氫、45.10％氮。接著，我們要用這些數據來求得化學式。

15.       因為一個化合物的化學式，指的是在這個化合物中，每種組成原子的數量，所以我們必須把這些元素的質量，轉換成原子數量；

16.       要達到這個目的，最簡單的辦法就是把未知的化合物設定為100.00g；因此，碳的比重38.67％，就是每100.00g的化合物，有38.67g克的碳；如此類推。

17.       為了判斷不知名化合物的化學式，我們要計算38.67g「碳」的碳原子數量，16.23g「氫」的氫原子數量，45.10g「氮」的氮原子數量：

38.67g 碳 × 1mol/12.011g碳= 3.220mol碳

16.23g 氫 × 1mol/1.008g氫= 16.10 mol氫

45.10g氮 × 1mol/14.007g氮= 3.220 mol氮

18.       在100.00g不知名的化合物中，有3.220莫耳的碳原子，16.10莫耳的氫原子，和3.220莫耳的氮原子。 (摘錄Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》)