2.12.1: Біологія - формула та склад води та глюкози
- Page ID
- 22887
Ми представили мікроскопічний погляд на хімічну реакцію між киснем і воднем. рівняння
\[\ce{O2 (g) + 2 H2 (g) -> 2H2O (l)} \nonumber \]
являє собою одну і ту ж подію з точки зору хімічних символів і формул.
Ми також побачили, що рослини утворюють глюкозу з СО 2 і Н 2 О:
\[\ce{6CO2 (g) + 6 H2O (l) + Light Energy -> C6H12O6 (s) + 6O2(g)} \nonumber \]
Але як практикуючий хімік дізнається, що відбувається в мікроскопічних масштабах? Коли реакція спостерігається вперше, мало що відомо про мікроскопічну природу продуктів. Тому необхідно експериментально визначити склад і формулу знову синтезованого речовини.
Першим кроком в такій процедурі зазвичай є відділення і очищення продуктів реакції. Наведені вище продукти легко відокремити, оскільки вони є рідинами або твердими речовинами, тоді як реагенти газоподібні. Але як можна було визначити, що формула повинна бути Н 2 О, а не Н 2 О 2? А рослини виробляють суміші вуглеводів під час фотосинтезу, які повинні бути розділені хроматографією або іншими методами, перш ніж їх можна буде ідентифікувати. Глюкоза, мабуть, найпоширеніший простий цукор, і він існує в двох молекулярних формах, з хімічною формулою C 6 H 12 O 6:
відкрита ланцюгова форма глюкози
циклічна форма глюкози
Рослини можуть виробляти інші прості цукру з подібною структурою, такі як D-рибулоза (C 5 H 10 O 5), D-фруктоза (C 6 H 12 O 6) і ді- або полісахариди (з двома або більше простих цукрів, пов'язаних між собою), як сахароза (C 12 H 22 О 11) або мальтоза (С 12 Н 22 О 11).
Як можна ідентифікувати фактичний продукт?
Одна відповідь передбачає кількісний аналіз —визначення відсотка за масою кожного елемента в сполуці. Такі дані зазвичай повідомляються як процентний склад.
Коли 10,0 г кисню вступає в реакцію з достатньою кількістю водню, утворюється 11,26 г чистого з'єднання. Обчисліть відсотковий склад за цими експериментальними даними.
Рішення
Відсоток кисню - це маса кисню, поділена на загальну масу з'єднання на 100 відсотків:
\[ \text{%O} = \tfrac {\text{m}_{\text{O}}} {\text{m}_{\text{compound}}} \cdot \text{100%} = \tfrac{\text{10.0 g}} {\text{11.26 g}} \cdot \text{100%} = \text{88.81%} \nonumber \]
Залишок з'єднання (11,26 г — 10 г = 1,26 г) становить водень:
\[\text{%H} = \tfrac{\text{m}_{\text{H}}} {\text{m}_{\text{compound}}} \cdot \text{100%} = \tfrac{\text{1.26 g}} {\text{11.26 g}} \cdot \text{100%} = \text{11.19%} \nonumber \]
В якості перевірки переконайтеся, що відсотки додають до 100:
88.81% + 11.19% = 100%
Щоб отримати формулу з даних процентного складу, ми повинні знайти, скільки атомів водню на атом кисню. У макроскопічному масштабі це відповідає відношенню кількості водню до кількості кисню. Якщо формула H 2 O, це не тільки вказує на те, що на атом кисню припадає два атоми водню, вона також говорить про те, що на кожен 1 моль атомів кисню припадає 2 моль атомів водню. Тобто кількість водню в два рази перевищує кількість кисню. Цифри в співвідношенні кількості брому до кількості ртуті (2:1) - це індекси водню і кисню в формулі.
Визначте формулу з'єднання, процентний склад якого був розрахований в попередньому прикладі.
Рішення
Для зручності припустимо, що у нас 100 г з'єднання. З них 88,81 г (88,81%) становить кисень і 11,19 г - водень. Кожна маса може бути перетворена в певну кількість речовини.
\[\begin{align} & n_{\text{O}}=\text{88}\text{.81 g}\times \frac{\text{1 mol O}}{\text{16}\text{.00 g}}=\text{5}\text{.550 mol O} \\ & n_{\text{H}}=\text{11}\text{.19 g}\times \frac{\text{1 mol H}}{\text{1}\text{.008 g}}=\text{11}\text{.101 mol H} \\ \end{align} \nonumber \]
Отже, формула H 11.101 O 5.550, але ми знаємо, що немає частки атомів, тому ми повинні поставити це в стандартному вигляді. Для цього більшу суму ділимо на меншу:
\[\frac{n_{\text{H} }}{n_ { \text{O} }}=\frac{\text{11.19 mol H}}{\text{5.550 mol O}}=\frac{\text{1.998 mol H}}{\text{1 mol O}} \nonumber \]
До формули відноситься Н 1.998 O 1, але знову ж таки, здається, проблема. Співвідношення 1,998 моль Н до 1 моль О також передбачає, що на 1 атом О припадає 1,998 атомів Н. Якщо атомна теорія правильна, немає такого поняття, як 0,998 атома; але пам'ятаючи, що наші вимірювання хороші лише до трьох значущих цифр, ми округляємо 1,998 до 2,00 і запишемо формулу як H 2 O.
Оксид водню має склад 94,07% О і 5,93% Н. Знайдіть його формулу.
Рішення
Знову припускаємо 100-г проби і обчислюємо кількість кожного елемента:
\ begin {вирівнювання} & n_ {\ текст {O}} =\ текст {94}\ текст {.07 г}\ раз\ фрагмент {\ текст {1 моль O}} {\ текст {.00 г}} =\ текст {5}\ текст {.88 моль O}\\ & n_ {\ текст {H}} =\ текст {5}\ текст {.93 g}\ час\ розриву {\ текст {1 моль H}} {\ текст {1}\ текст {.008 г}} =\ текст {5}\ текст {.88 моль H}\\ кінець {вирівнювання}
Співвідношення становить
\[\frac{n_{\text{H}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{5.88 mol H}}{\text{5.88 mol O}}=\frac{\text{1 mol H}}{\text{1 mol O}} \nonumber \]
Таким чином, формула H 5.88 O 5.88, що є співвідношенням 1:1 в межах експериментальної точності. Тому ми б присвоїли формулу HO.
Формула, отримана в прикладі 3, не відповідає жодному з двох оксидів водню, які ми вже обговорювали. Це третій? Відповідь ні, тому що наш метод може визначити лише співвідношення H до O. Співвідношення 1:1 таке ж, як 2:2, і тому наш метод дасть той же результат для HO або H 2 O 2 (або H 7 O 7, якщо він існує). Формула, що визначається цим методом, називається емпіричної формулою або найпростішою формулою. Іноді, як і у випадку з пероксидом водню, емпірична формула відрізняється від фактичного молекулярного складу, або молекулярної формули. Експериментальне визначення молекулярної маси на додаток до процентного складу дозволяє розраховувати молекулярну формулу.
З'єднання, молекулярна маса якого становить 28, містить 85,6% С і 14,4% Н. Визначають його емпіричні та молекулярні формули.
Рішення
\[\begin{align} & n_{\text{C}}=\text{85}\text{.6 g}\times \frac{\text{1 mol C}}{\text{12}\text{.01 g}}=\text{7}\text{.13 mol C} \\ & n_{\text{H}}=\text{14}\text{.4 g}\times \frac{\text{1 mol H}}{\text{1}\text{.008 g}}=\text{14}\text{.3 mol H} \\ \end{align} \nonumber \]
Отже, формула C 7.13 H 14.3, але для отримання інтегральних індексів ділимо кожен на менший:
\[\frac{n_{\text{H}}}{n_{\text{C}}}=\frac{\text{14.3 mol H}}{\text{7.13 mol C}}=\frac{\text{2.01 mol H}}{\text{1 mol C}} \nonumber \]
Отже, емпірична формула - CH 2. Молекулярна маса, що відповідає емпіричній формулі, дорівнює
12.01 + 2 × 1,008 = 14,03
Оскільки експериментальна молекулярна маса в два рази більше, всі індекси повинні бути подвоєні, а молекулярна формула - C 2 H 4.D-ксилоза містить 40,0% С, 6,71% Н та 53,29% О. Яка його емпірична формула?
Рішення
\[\begin{align} & n_{\text{H}}=\text{6}\text{.71 g}\times \tfrac{\text{1 mol H}}{\text{1}\text{.008 g}}=\text{6}\text{.66 mol H} \\ & n_{\text{C}}=\text{40}\text{.00 g}\times \frac{\text{1 mol C}}{\text{12}\text{.01 g}}=\text{3}\text{.33 mol C} \\ & n_{\text{O}}=\text{53}\text{.29 g}\times \frac{\text{1 mol O}}{\text{16}\text{.00 g}}=\text{3}\text{.33 mol O} \\ \end{align} \nonumber \]
Отже, формула C 3.33 H 6.66 O 3.33, а розділивши всі три на найменшу кількість речовини отримаємо СН2О.
\[\begin{align} & \frac{n_{\text{C}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{3}\text{.33 mol C}}{\text{3}\text{.33 mol O}}=\frac{\text{1}\text{. mol H}}{\text{1 mol O}} \\ & \frac{n_{\text{H}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{4}\text{.44 mol H}}{\text{2}\text{.22 mol O}}=\frac{\text{2}\text{.00 mol H}}{\text{1 mol O}} \\ \end{align} \nonumber \]
Тепер ми бачимо, звідки вуглеводи отримали свою назву. Всі вони мають формули, такі як C n (H 2 O) m, тому всі вони виглядають як гідрати (вода, що містять сполуки) вуглецю. D-ксилоза насправді C 5 (H 2 O) 5 або C 5 H 10 O 5, глюкоза - C 6 (H 12 O) 6 або C 6 H 12 O 6, а сахароза - C 12 (H 2 O) 11 або С 12 Н 22 О 11.
Ми бачили, що експериментальна помилка може давати мольні коефіцієнти, які не є точними одиницями. Іноді співвідношення сум знаходиться далі від цілого числа, ніж можна пояснити експериментальною помилкою, як у наступному прикладі.
Аспірин містить 60,0% С, 4,48% Н та 35,5% О. Яка його емпірична формула?
Рішення
\ begin {вирівнювання} & n_ {\ текст {H}} =\ текст {14}\ текст {.4 г}\ раз\ фрагмент {\ текст {1 моль H}} {\ текст {.008 г}} =\ текст {14}\ текст {.3 моль H}\\ & n_ {\ текст {C}} =\ текст {85}\ текст {.6 г}\ час\ розриву {\ текст {1 моль C}} {\ текст {12}\ текст {.01 г}} =\ текст {7}\ текст {.13 моль C}\\ & n_ {\ текст {O}} =\ текст {35}\ текст {.5 г}\ час\ frac {\ текст {1 моль O}} {\ текст {16}\ текст {.00 г}} =\ текст {2}\ текст {.22 моль O}\\ кінець {вирівнювання}
Розділіть всі три на найменшу кількість речовини\ begin {вирівнювання} &\ frac {n_ {\ текст {C}}} {n_ {\ текст {O}}} =\ frac {\ текст {5}\ текст {.00 моль C}} {\ текст {.22 моль O}} =\ frac {\ текст {2}\ текст {.25 моль H}} {\ текст {1 моль O}}\ &\ frac {n_ {\ текст {H}}} {n_ {\ текст {O}}} =\ frac {\ text {4}\ текст {.44 моль H}} {\ текст {.22 моль O}} =\ frac {\ текст {2}\ текст {.00 моль H}} {\ текст {1 моль O}}\ кінець {вирівняти}
Очевидно, що атомів Н в два рази більше, ніж атомів O, але відношення C до O не настільки очевидне. Ми повинні перетворити 2,25 до співвідношення малих цілих чисел. Це можна зробити, змінивши цифри після коми на дріб. При цьому 0,25 стає ¼. Таким чином 2,25 = 2¼ = 9/4, а
\[\frac{n_{\text{C}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{2.25 mol C}}{\text{1 mol O}}=\frac{\text{9 mol C}}{\text{4 mol O}} \nonumber \]
Ми також можемо написати
\[\frac{n_{\text{H}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{2 mol H}}{\text{1 mol O}}=\frac{\text{8 mol H}}{\text{4 mol O}} \nonumber \]
Таким чином емпірична формула - C 9 H 8 O 4.
Після того, як хтось визначив формулу - емпіричну або молекулярну - хтось може зробити зворотний розрахунок. Знаходження вагового відсоткового складу з формули часто виявляється досить інформативним, як показує наступний приклад.
Як ми бачили вище, всі вуглеводи мають загальну формулу C n (H 2 O) m. Всі прості цукри мають загальну формулу C n (H 2 O) n, тому всі вони мають однаковий відсоток C, H і O.
- Обчисліть відсоток С в глюкозі.
- Покажіть, що з'єднання С 8 (Н 2 О) 4 не може бути простим цукром шляхом розрахунку його процентного складу.
Рішення
а. з 6 (Н 2 О) 6 містить 6 моль С, 12 моль Н і 6 моль О. молярна маса, таким чином,
М = (6 х 12.011) + (12 х 1,008) + (6 х 16) = 180 г моль —1
Зразок 1-моль важить 180,56 г Маса 6 моль С, яку він містить, становить
\[\text{mC}=\text{6 mol C}\cdot\frac{\text{12.011 g}}{\text{1 mol C}}=\text{72.066 g} \nonumber \]
Тому відсоток C дорівнює\[\text{%C}=\frac{\text{mC}}{\text{mC6H_{12}O_6}}\cdot\text{ 100%}=\frac{\text{72.066 g}}{\text{180.56 g}}\cdot\text{100%}=\text{40.00%} \nonumber \]
Відсотки H і O легко обчислюються як\ begin {вирівнювання} & m_ {\ текст {H}} =\ текст {12 моль H}\ cdot=\ frac {\ текст {1,008 г}} {\ текст {1 моль H}} =\ текст {12.096 г}\ &\ текст {%H} =\ frac {\ текст {12.096 г}} {\ текст {180.56 г}} точка\ текст {100%} =\ текст {6.70%}\\ & m_ {\ текст {O}} =\ текст {6 моль О}\ cdot=\ frac {\ текст {16.00 г}} {\ текст {1 моль O}} =\ текст {96.00 г}\\ &\ текст {%O} =\ frac {\ текст {96.00 г}} {\ текст {180.56 г}}\ cdot\ текст {100%} =\ текст {53.17%}\\ кінець {вирівнювання}
Хоча це не строго потрібно, щоб відповісти на проблему, останні два відсотки забезпечують перевірку результатів. Загальна 40,00 + 6,70% + 53,17% = 100.00% як слід.Зверніть увагу, що для будь-якого простого цукру,
\[\text{%C}=\tfrac{\textit{n}\text{(12.011)}}{\textit{n}\text{(12.011)} +\textit{n}\text{(18)}} = \text{40%} \nonumber \]
незалежно від того, скільки вуглецю в ньому міститься (прості цукру - це триози, С 3 Н 6 О 3, тетрози, С 4 Н 8 О 4, пентози і гексози. Те ж саме стосується відсотків Н і О.
б. молярна маса С 8 (Н 2 О) 4 дорівнює 168,15;
% C = [(8 x 12.011) /168,15] х 100% = 57,14%, а не 40% характеристика простих цукрів.
Аналогічно,
% Н = [(8 х 1,008)/168,15] х 100% = 4,80%, а відсоток O становить 38,06%.