¿Cómo encuentran los químicos la fórmula química de un compuesto? Por ejemplo, ¿cómo encuentran la fórmula química de la glucosa, C6H12O6?

¡Pregunta extremadamente interesante y compleja! Aún más si hablamos de cómo solían hacerlo. Dejame explicar.

Saber cualitativamente qué elementos constituyen una molécula es fácil. Lleve a una temperatura extremadamente alta y vea lo que obtiene. Por ejemplo, si caliento glucosa sin oxígeno a una temperatura muy alta, obtendré carbono y agua. Ambos compuestos pueden reconocerse muy fácilmente y decirme que la molécula tiene C, O y H. Si tuviera otros elementos como nitrógeno, azufre, etc. Obtendría compilaciones de esos elementos, que también son fácilmente reconocibles.

Muy bien, ahora sé que la glucosa es C, H y O, pero ¿en qué cantidades?

Antes que nada hablemos sobre las propiedades coligativas de una disolución. Estas son propiedades que solo dependen del líquido que hace la disolución y la concentración molar del soluto. Eso significa que si tiene 1 mol por litro de NaCl, o KCl o glucosa, verá exactamente el mismo efecto. Alguien muy inteligente se dio cuenta de que puede usar esto para medir la masa molecular de un compuesto. Disuelve un gramo del compuesto en agua, mide la presión osmótica de la solución (esta era la forma más común) y ahora sabe cuántos moles del compuesto hay en 1 g. Conocer la masa molecular es muy útil para predecir la fórmula.

Otra cosa que puede hacer es quemar el compuesto y ver cuánta agua y CO2 obtiene. Puede relacionar fácilmente la cantidad de moles de gas de su volumen. De esta manera, si quemo un mol de glucosa (ya conozco su masa molecular del paso anterior, así puedo obtener 1 mol sin ningún problema) y veo que cuando lo quemo por completo obtengo 12 moles de gas, eso lo haré deje enfriar para que el agua se condense, entonces tendré 6 moles de CO2. Genial, ahora sabemos la composición molecular:

CaHbOc + O2—— → aCO2 + b / 2H2O

Sabemos que a = 6 yb / 2 = 6, entonces la glucosa es C6H12Oc, pero sabemos cuánto pesa un mol de glucosa, por lo que podemos obtener c a partir de eso:

6 * at_weight (C) + 12 * at_weight (H) + c * at_weight (O) = molecular_weight (glucosa)

¡Lo hicimos! ¡Hurra por la química! Pero no se equivoque, esto es difícil y solo buscará moléculas simples. Hice muchos de estos experimentos en la universidad y muchas veces obtuviste resultados incorrectos (debes ser extremadamente cuidadoso al entregar todo y aún así, el método tiene un error importante).

Pero tenga en cuenta que conocer la composición molecular de una molécula es bastante inútil. Hay muchas moléculas completamente diferentes que presentan los mismos átomos en sus moléculas. La forma en que estos átomos se unen entre sí y se distribuyen es fundamental, eso es lo que determina la reactividad de la molécula. Lo difícil es obtener eso (y, sin embargo, lo hicieron personas inteligentes como Fischer, que determinó la estructura de la glucosa junto con muchas otras monosacárido).

Hay muchas otras formas antiguas, como la electrólisis. Pero hoy en día tenemos muchas máquinas que hacen que este trabajo sea MUCHO MÁS fácil. La difracción de rayos X se puede usar para secuenciar una proteína, la resonancia magnética nuclear de carbono e hidrógeno le dice mucho no solo sobre el peso molecular, sino también sobre su estructura; y la espectroscopía de masa molecular le proporciona el peso molecular de la molécula junto con otros datos muy útiles. Existen muchas otras técnicas. Debería estudiar química si desea conocerlas. ¡Es divertido!

Si todo lo que necesita es la fórmula molecular, y no está preocupado (todavía) por la estructura, entonces la espectrometría de masas de alta resolución es probablemente el mejor método de propósito general para determinarla.

Una MS de alta resolución puede resolver masas a cuatro o cinco decimales, por lo que es trivial saber que un cierto pico m / e 180 se debe a C6H12O6 y no a C6H16N2O4, o cualquier otra fórmula con una masa nominal de 180 u. Por lo tanto, siempre que su desconocido genere un ión padre, debería estar listo.

Hay muchas técnicas instrumentales disponibles ahora. Pero antes se hizo siguiendo la reacción de un compuesto particular (de interés, cantidad conocida) con algunos reactivos (otros productos químicos conocidos). El producto de esta reacción se cuantificó luego. Por ejemplo, la glucosa se quemó en un aparato cerrado en presencia de exceso de oxígeno. El carbono en la molécula orgánica se quemó para formar dióxido de carbono e hidrógeno forma agua. Entonces, la cantidad de dióxido de carbono y agua formada dio la relación estequiométrica de carbono e hidrógeno en glucosa. Del mismo modo, otros compuestos inorgánicos y orgánicos fueron estimados por diferentes métodos cualitativos y cuantitativos.

Un método familiar es llevar a cabo un análisis de combustión del compuesto orgánico para determinar el porcentaje de carbono, hidrógeno y oxígeno.

La fórmula empírica se determina mediante este método y, por lo tanto, la fórmula empírica masa

Luego, la fórmula molecular del compuesto se determina por el método de densidad de vapor

La relación entre la masa de fórmula empírica y la masa de fórmula molecular se multiplica por la fórmula empírica para encontrar la fórmula molecular.