Fórmula empírica y molecular

La fórmula química es la representación de los elementos que forman un compuesto y la proporción en que se encuentran, o del número de átomos que forman una molécula. También puede darnos información adicional como la manera en que se unen dichos átomos mediante enlaces químicos e incluso su distribución en el espacio. Para nombrarlas, se emplean las reglas de la nomenclatura o formulación química.
La formula química permite determinar la composición porcentual de cada elemento en una sustancia compuesta. Los porcentajes así obtenidos son una expresión de la ley de la composición definida.

Ejemplo 3.1. Composición porcentual

La fórmula química del sulfato de aluminio es Al₂(SO₄)₃. Determinar la composición porcentual del sulfato de aluminio.
MAl₂(SO₄)₃ = 2(27.0) + 3(32.0) + 12(16.0) = 342 g/mol
formula 1

Elemento	Masa molar (g/mol)	mol del elemento	masa (g) en 1 mol	Porcentaje (%)
Al	27.0	2	54.0	15.79
S	32.0	3	96.0	28.07
O	16.0	12	192.0	56.14

Existen varios tipos de fórmulas químicas:

Fórmula empírica

La fórmula empírica es una expresión que representa la proporción más simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico. Es por tanto la representación mas sencilla de un compuesto. Por ello, a veces, se le llama fórmula mínima.
En compuestos covalentes, se obtiene simplificando los subíndices de la fórmula, si ello es posible, dividiéndolos por un factor común. Así, la fórmula empírica de la glucosa (C₆H₁₂O₆) es CH₂O, lo cual indica que por cada átomo de C, hay dos átomos de H y un átomo de O. Los subíndices siempre son números enteros y si son iguales a 1, no se escriben.
En compuestos iónicos la fórmula empírica es la única que podemos conocer, e indica la proporción entre el número de iones de cada clase en la red iónica. En el hidruro de magnesio, hay dos iones hidruro por cada ión magnesio, luego su fórmula empírica es MgH₂.
En compuestos no-estequiométricos, como ciertos minerales, los subíndices pueden ser números decimales. Así, el óxido de hierro (II) tiene una fórmula empírica que varía entre Fe_0,84O y Fe_0,95O,lo que indica la presencia de huecos, impurezas y defectos en la red.

Fórmula molecular

La fórmula molecular, indica el tipo de átomos presentes en un compuesto molecular, y el número de átomos de cada clase. Sólo tiene sentido hablar de fórmula molecular en compuestos covalentes. Así la fórmula molecular de la glucosa es C₆H1₂O₆, lo cual indica que cada molécula está formada por 6 átomos de C, 12 átomos de H y 6 átomos de O, unidos siempre de una determinada manera.

Fórmula estructural
- Modelo de esqueleto, de armazón: no se dibujan los átomos de C e H.
- Modelo de bolas y barras, o de bolas y varillas.
- Modelo de bolas, compacto o espacial sólido.
- Modelos poliédricos: los átomos se representan por tetraedros, octaedros, … que se unen por sus vértices y permiten ciertos giros o torsiones.

La fórmula estructural es similar a las anteriores pero señalando la geometría espacial de la molécula mediante la indicación de distancias, ángulos o el empleo de perspectivas en diagramas bi o tridimensionales.

(GALEANO, 2011h). Fórmula estructural

En un diagrama 2D, se aprecia la orientación de los enlaces usando símbolos especiales. Una línea continua representa un enlace en el plano; si el enlace está por detrás, se representa mediante una línea de puntos; si el enlace está por delante, se indica con un símbolo en forma de cuña triangular. A veces se emplean otro tipo de convenios o proyecciones para grupos de compuestos específicos (proyección de Newman, diagramas de Tollens, etc).

También hay diagramas 3D como la estructura o fórmula de esqueleto (o de líneas y ángulos).

(EDGAR181, 2006). Fórmula de esqueleto

A veces, se prefiere el uso de modelos moleculares en 3D, como:
Son numerosas las aplicaciones informáticas para crear estructuras (ChemDraw), y visualizarlas (Jmol). Permiten dibujar, rotar estas estructuras y observarlas desde distintos puntos de vista.

Determinación de fórmulas empíricas y moleculares

Ejemplo 3.2. A partir de la composición porcentual

El análisis de cierto compuesto, cuya masa molar es de 180 g/mol, revela que su composición porcentual, en peso, es 40% de C, 6,67% de H, y 53,33% de O. ¿Cuál es la fórmula empírica y molecular del compuesto la cantidad en gramos de cada elemento en la muestra, o sea, la masa relativa de cada elemento en la muestra dada.
Se toma una base de muestra de 100 g y se determina la cantidad de sustancia, en mol, de cada uno de los elementos. Se divide este último resultado por el valor más pequeño para obtener números enteros. Como las divisiones a veces no salen totalmente exactas dado que se ha operado previamente y se ha redondeado, se recomienda: (1) Trabajar con un mínimo de cuatro decimales; (2) Redondear este último número al entero más cercano si la diferencia es menor de una décima; (3) Podría darse el caso de que no salieran números enteros, si es así, se deberán multiplicar todos los números por un factor tal que dé como resultado números enteros sencillos.

Elemento	Masa molar (g/mol)	Masa (g)	mol	Div/menor
C	12.0	40.0	3.333	1
H	1.0	6.67	6.670	2
O	16.0	53.33	3.333	1

La fórmula empírica del compuesto es: CH₂O (30.0 g/mol)
Teniendo en cuenta que el compuesto tiene una masa molar de 180 g/mol, se deduce fácilmente que la fórmula molecular corresponde a C₆H₁₂O₆.

Ejemplo 3.3. A partir del análisis elemental

El olor característico de la piña se debe a un éster que contiene C, H y O. La combustión de 2.78 g de este compuesto conduce a la formación de 6.32 g de CO₂ y 2.52 g de H₂O. ¿Cuál es su fórmula empírica? Las propiedades de este compuesto sugieren que su masa molecular está entre 100 y 120 g/mol. ¿Cuál es su fórmula molecular?
formula 2

(Nota: el oxígeno siempre se halla por diferencia. ¿por qué?)

Elemento	Masa molar (g/mol)	Masa (g)	Mol	Div/menor
C	12.0	1.7236	0.1436	3
H	1.0	0.2800	0.2800	6
O	16.0	0.7764	0.0485	1

La fórmula empírica es C₃H₆O (58 g/mol)
Teniendo en cuenta que la masa molecular del compuesto se encuentra entre 100 y 120 g/mol, se deduce que la masa molecular del compuesto es C₆H₁₂O₂.

Ejemplo 3.4. A partir de otros datos estequiométricos

Se calientan 1.256 g de un cloruro de platino y queda un residuo de 0.7275 g de Pt. Hallar la fórmula de este cloruro de platino.

m Pt = 0.7275 g

m Cl = 1.256 g - 0.7275 g = 0.5285

Elemento	Masa molar (g/mol)	Masa (g)	Mol	Div/menor
Pt	195.0	0.7275	0.0037	1
Cl	35.5	0.5285	0.0149	4

La fórmula empírica es PtCl₄.

Hidratos

Se denomina agua de cristalización al agua que se encuentra dentro de las redes de los cristales pero que no se halla unida de manera covalente a ninguna molécula o ion. Es un término arcaico que precede a la química inorgánica estructural moderna, y que proviene de una época en la las relaciones entre fórmula mínima y estructura eran poco comprendidas. Sin embargo, el término ha permanecido en el tiempo, y cuando se emplea de manera precisa puede resultar muy útil.
Cuando el agua de cristalización está asociada a una sal el resultado se denomina hidrato. La estructura de los hidratos puede ser muy elaborada, debido a la existencia de enlaces de hidrógeno que determina estructuras poliméricas. Durante mucho tiempo las estructuras de muchos hidratos permanecieron desconocidas, por lo cual se empleó un punto (·) en la fórmula de un hidrato para especificar la composición sin indicar la manera en que el agua está enlazada. Algunos ejemplos de estas fórmulas son los siguientes:

CuSO₄·5H₂O Sulfato de cobre (II) pentahidratado
CoC_l2·6H₂O Cloruro de cobalto (II) hexahidratado
SnCl₂·2H₂O Cloruro de estaño (II) dihidratado

Cuando los hidratos se calientan desprenden sus aguas de cristalización quedando el compuesto anhidro. Es un proceso reversible, ya que el hidrato se forma nuevamente si se añade agua.

Ejemplo 3.5. Fórmula empírica de hidratos

Al calentar 9.476 g de bórax (Na₂B₄O₇.xH₂O) se eliminan 4.475 g de agua. Hallar la el valor de x.
formula 5

Compuesto	Masa molar (g/mol)	Masa (g)	Mol	Div/menor
Na₂B₄O₇	201.2	5.001	0.0249	1
H₂O	18.0	4.475	0.2486	10

La fórmula empírica del hidrato es Na₂B₄O₇.10H₂O, x = 10.

EJERCICIOS PROPUESTOS

Ejercicio1

Al analizar un óxido de nitrógeno, se obtiene 0,079 g de Nitrógeno y 0,181 g de
Oxígeno. Calcular la fórmula empírica Datos Masas atómicas N = 14; O = 16 ;

Ejercicio2

Calcular la fórmula empírica de un sustancia que presenta una composición de 48,65% de carbono, 8,11% de hidrógeno y 43,24% de oxígeno. Datos Masas atómicas O = 16 ;H = 1 ;C=12

Ejercicio3

Una sustancia presenta una composición de 40% de carbono, 6,7% de hidrógeno y 53,3% de oxígeno. Sabiendo que su masa molecular es 60 gr/mol calcular su fórmula empírica y su fórmula molecular Datos Masas atómicas O = 16 ;H = 1 ;C=12

Ejercicio4

Un hidrocarburo gasesoso contiene un 82,70% de C y el resto de H.Sabemos que su densidad a una Tª de 25ºC y presión 755mmHg es de 2,36 g/L. Calcula su formula empírica y su fórmula molecular H = 1 ;C=12

.

Ejercicio5

Un compuesto orgánico está constituido por carbono, hidrógeno y oxígeno. Cuando se produce la combustión de 1,570 g del mismo se obtienen 3 g de dióxido de carbono y 1,842 g de agua. Una muestra gaseosa de 0,412 g de esta sustancia ocupa, a 14 ºC y 0,977 atm, un volumen de 216 cm³. Calcula su fórmula empírica y su fórmula molecular. Datos Masas atómicas O = 16 ;H = 1 ;C=12

Diego Peralta Bermudez

lunes, 21 de octubre de 2019