经验式与分子式 · 高中化学

三种物质，同一份“配方”

甲醛 CH₂O、乙酸 C₂H₄O₂（醋的主要成分）和葡萄糖 C₆H₁₂O₆ 是完全不同的物质，可它们的百分组成一模一样：碳 40.0%、氢 6.7%、氧 53.3%。这说明，只凭百分组成只能知道原子个数的最简比。要知道一个分子里到底有几个原子，还需要另一个数据：摩尔质量。

表示化合物中各元素原子个数最简整数比的式子叫做经验式empirical formula。人教版选择性必修课本把它叫做实验式，也叫最简式，因为它可以直接由实验数据求出。表示一个分子中实际原子个数的是分子式molecular formula。

设样品为 100 g。 质量分数直接变成克数（已知质量的题目跳过这一步）。
换算成物质的量。 每种元素的克数 ÷ 摩尔质量。
除以最小的物质的量。 得到原子个数比。
比值不接近整数时，乘一个整数。 比值约为 1.5 就都乘 2，约为 1.33 或 1.67 就乘 3，约为 1.25 或 1.75 就乘 4，约为 1.2 就乘 5。
取整，写出经验式。 再用摩尔质量 ÷ 经验式的式量求出 n，写出分子式。

第 4 步最容易出错：1.5 不能四舍五入成 2，只有和整数相差 0.1 以内的比值（如 2.98、1.03）才能直接取整，这点差别来自测量和修约。

本节用高中课本常给的相对原子质量：H 1、C 12、N 14、O 16、P 31、Fe 56。

选一种物质，一步一步求出它的经验式和分子式；也可以改一改百分数和摩尔质量：

动手试试：由百分组成求经验式和分子式

火箭燃料肼（又叫联氨）含氮 87.5%、氢 12.5%，摩尔质量为 32 g/mol。求它的经验式和分子式。

分步解析

设样品为 100 g。 质量分数直接变成质量：含 N 87.5 g、H 12.5 g。
换算成物质的量。 原子个数之比等于物质的量之比：
$\begin{aligned} n(\text{N}) &= 87.5 / 14 \\ &= 6.25\ \text{mol} \\ n(\text{H}) &= 12.5 / 1 \\ &= 12.5\ \text{mol} \end{aligned}$
除以最小值。
$\begin{aligned} \text{N} : \text{H} &= \frac{6.25}{6.25} : \frac{12.5}{6.25} \\ &= 1 : 2.00 \end{aligned}$
经验式。 NH₂，式量 14 + 2 = 16。
分子式。 分子式是经验式的整数倍：
$\begin{gathered} n = \frac{32}{16} = 2 \\ \boxed{\ce{N2H4}} \end{gathered}$
检查。 N₂H₄ 的摩尔质量 2 × 14 + 4 × 1 = 32 g/mol，和题目一致。

2.50 g 某种磷的氧化物中含磷 1.09 g，它的摩尔质量为 284 g/mol。求它的分子式。

分步解析

各元素的质量。 已经是质量，不用再设 100 g：
$\begin{aligned} m(\text{P}) &= 1.09\ \text{g} \\ m(\text{O}) &= 2.50 - 1.09 \\ &= 1.41\ \text{g} \end{aligned}$
换算成物质的量（mol）。
$\begin{aligned} n(\text{P}) &= 1.09 / 31 \\ &= 0.0352 \\ n(\text{O}) &= 1.41 / 16 \\ &= 0.0881 \end{aligned}$
除以最小值。 P : O = 1 : 2.50。2.50 不接近整数，不能取整。
同乘 2 化成整数。 P : O = 2 : 5，经验式 P₂O₅，式量 2 × 31 + 5 × 16 = 142。
分子式。
$\begin{gathered} n = \frac{284}{142} = 2 \\ \boxed{\ce{P4O10}} \end{gathered}$
习惯上常叫“五氧化二磷”，那是按经验式起的名字。
常见错误。 把 1 : 2.50 硬取整成 1 : 2 或 1 : 3。比值的小数部分是 .5、.33、.25 时，要分别乘 2、3、4。

练一练：除以最小值后得到下面的比值，接下来应该怎样做？

误区 1：“1 : 1.5 可以四舍五入成 1 : 2。” 1.5 离 1 和 2 一样远，取整会得到错误的化学式。只有和整数相差约 0.1 以内的比值才能直接取整；1.5、1.33、1.25 这样的比值要乘一个整数。

误区 2：“百分数之比就是原子个数之比。” 葡萄糖中 C : H : O 的质量分数之比是 40.0 : 6.7 : 53.3，但原子个数比是 1 : 2 : 1。各元素的原子质量不同，必须先除以摩尔质量换算成物质的量。

误区 3：“经验式相同，就是同一种物质。” 甲醛 CH₂O、乙酸 C₂H₄O₂、葡萄糖 C₆H₁₂O₆ 的经验式都是 CH₂O，但性质完全不同。只有知道了摩尔质量，才能确定分子式。

苯 C₆H₆ 的经验式是？

某化合物的经验式是 CH₂O，摩尔质量为 60 g/mol，它的分子式是？

通往 AP（以后再看）

AP 化学第 1 单元要求由质量数据求经验式，题目可能给出百分组成，也可能给出“燃烧后生成多少克 CO₂ 和 H₂O”的数据，再由它们算出碳和氢的质量。AP 计算用周期表上两位小数的原子量，比值离整数会更近一些，但判断和乘整数的方法完全一样。