Basit Formül Nedir ve Molekül Formülüne Nasıl Dönüşür?

Basit formül, bir bileşikteki element atomlarının göreli sayılarını en küçük tam sayılara indirgenmiş biçimde gösteren kimyasal ifadedir.⁠^[1] Tek bir moleküldeki her elementin gerçek atom sayısını bildiren gösterim ise molekül formülü olarak adlandırılmaktadır.⁠^[4] Örneğin tek kullanımlık çakmaklarda yakıt olarak kullanılan bütan bileşiğinin bir molekülünde 4 karbon ve 10 hidrojen atomu bulunduğu için bu maddenin molekül formülü C₄H₁₀ biçimindedir. Ancak 4'e 10 olan karbon ve hidrojen oranı en küçük tam sayılara sadeleştirildiğinde 2'ye 5 oranı elde edilmektedir. Bütanın basit formülü dolayısıyla C₂H₅ olarak yazılmaktadır.

Yeni sentezlenen veya doğadan ayrıştırılan bilinmeyen bir maddenin kimliği araştırılırken laboratuvar ölçümleri doğrudan C₄H₁₀ gibi bir gerçek sayım verememektedir, çünkü yakma veya elementel ayrıştırma işlemleri, tek bir molekülün içindeki atomları tek tek saymak yerine numunedeki elementlerin birbirine olan kütle ve mol oranlarını ortaya çıkarmaktadır. Üstelik yedi ayrı molekül aynı CH basit formülünü paylaşabilmekte ve basit element analiziyle birbirinden ayrılamamaktadır.⁠^[7] Benzer şekilde hem formaldehit hem de glikoz, en sade orana indirgendiğinde aynı CH₂O ifadesine karşılık gelmektedir. Bu yazıda element sembollerinin tarihsel doğuşundan iyonik ağların gösterimine, kütlece yüzdeler ve yanma düzeneklerinden gerçek molekül formülüne geçiş hesaplarına kadar kimyasal formüllerin nasıl belirlendiğini adım adım incelenmektedir.

Basit Formül Nedir?

Bir kimyasal tepkime gerçekleştiğinde başlangıçtaki maddelerin atomları birbirinden ayrılıp yeni moleküller oluşturacak biçimde yeniden dizilmektedir. Fakat bu yeniden düzenlenme ne kadar karmaşık olursa olsun, tepkime öncesindeki ve sonrasındaki her bir atom türünün toplam sayısı eksiksiz biçimde korunmaktadır. Kimyacılar bir maddenin hangi elementlerden oluştuğunu ve bu elementlerin hangi sayısal oranlarla bir araya geldiğini kısaca göstermek için kimyasal formül (İng: "chemical formula") kullanmaktadır. Kısacası her formül, elementlerin sayısal oranının kısa bir yazımıdır.

Bu gösterim dilinin temelleri 19. yüzyılın başında İsveçli kimyacı Jöns Jacob Berzelius tarafından atılmıştır. Berzelius, 1813 ve 1814 yıllarında Annals of Philosophy dergisinde yayımladığı kimyasal oranlar makalesinde, bileşiklerin yazımını kolaylaştırmak amacıyla harflerden oluşan semboller önermiştir.⁠^[10] Buna göre her basit maddenin Latince adının ilk harfi element sembolü (İng: "chemical symbol") olarak seçilmiştir.⁠^[10] Aynı ilk harfi paylaşan başka bir metal veya yarı metal bulunduğunda ise karışıklığı önlemek için Latince kelimenin ilk iki harfi kullanılarak ayrım yapılmıştır.

Berzelius, geliştirdiği bu harf sisteminin amacını sadece kimyasal oranların ifadesini kolaylaştırmak olarak açıklamıştır. Başlangıçta bileşenlerin arasına konulan artı işaretini kaldıran Berzelius, birleşen hacim sayılarını harfin üst kısmına yerleştirmiş ve daha karmaşık bileşimlerde tıpkı cebir formüllerindeki gibi parantez kullanılabileceğini belirtmiştir. Öte yandan günümüzdeki modern yazımda harfin sağ alt köşesine yazılan alt indis (İng: "subscript") sayıları kullanılmaktadır. Bu sayıların bileşikteki en sade oranı mı yoksa tek bir moleküldeki gerçek toplamı mı gösterdiği, basit formül (İng: "empirical formula") ile molekül formülü (İng: "molecular formula") arasındaki temel sınırı çizmektedir.

En Küçük Tam Sayı Oranı

Bir bileşiğin molekül formülü (gerçek formül), bağımsız bir molekülün yapısında her elementten gerçekte kaç tane atom bulunduğunu eksiksiz olarak bildirmektedir. Buna karşılık basit formül, söz konusu bileşikteki elementlerin atom sayısı (İng: "number of atoms") değerlerini birbirine oranlayarak olası en küçük tam sayı (İng: "whole number") değerlerine indirgemektedir. Bir ifadenin basit formül sayılabilmesi için harflerin sağ altına yazılan tam sayı alt indislerin 1 dışında hiçbir ortak böleninin bulunmaması gerekmektedir.

Bu sadeleştirme kuralı, karbon ve hidrojenden oluşan bileşiklerde net biçimde görülmektedir. Çakmak yakıtı olan bütanın C₄H₁₀ biçimindeki gerçek formülünde yer alan 4 ve 10 alt indisleri ikiye bölünebildiği için, ortak bölen ortadan kaldırıldığında C₂H₅ basit formülüne ulaşılmaktadır. Benzer şekilde asetilenin gerçek formülü C₂H₂, benzenin gerçek formülü ise C₆H₆ biçimindedir. İlk bileşikteki 2'ye 2 oranı da ikinci bileşikteki 6'ya 6 oranı da kendi içinde sadeleştirildiğinde, her iki maddenin basit formülü ortak olarak CH çıkmaktadır. İki farklı madde, yani asetilen ile benzen, tek bir basit formülü paylaşmaktadır.

Evrim Ağacı

Öte yandan bazı bileşiklerin gerçek formüllerindeki alt indisler zaten 1 dışında ortak bir bölene sahip değildir. Bir bileşiğin molekül formülü matematiksel olarak daha fazla sadeleştirilemiyorsa, bu maddenin basit ve molekül formülleri aynı kalmaktadır. Metanda örneğin 1 karbon atomuna karşılık 4 hidrojen atomu bağlanmakta ve hem basit hem de gerçek formül CH₄ olarak yazılmaktadır. Benzer şekilde 2 hidrojen ve 1 oksijen atomundan oluşan suyun her iki formülü de H₂O biçimindedir.

Tek bir molekül düzeyinde kurulan bu tam sayı ilişkisi, laboratuvarda tartılabilen makroskopik madde miktarı olan mol (İng: "mole") ölçeğinde de birebir korunmaktadır. Bir su molekülündeki hidrojen ve oksijen atomları arasındaki ikiye bir oranı, bir mol suyun içerdiği hidrojen ve oksijen atomlarının mol sayıları arasında da aynen geçerlidir. Deneysel ölçümler bir numunedeki atomların bağıl sayılarını mol düzeyinde tespit ettiğinden, laboratuvar analizleri basit formülü belirlemektedir.

İyonik Yapılı Bileşiklerde Formül Birimi

İyonik yapılı bileşikler (İng: "ionic compound") ayrık moleküller içermemektedir. Tek bir molekül sınırından söz edilemediği için bu maddelerin bileşimlerini ifade etmek üzere sadece basit formüller kullanılmaktadır. İyonik veya kovalent bir bileşiğin basit formülü tarafından temsil edilen en küçük atom ya da iyon topluluğuna formül birimi (İng: "formula unit") adı verilmektedir.⁠^[1]

Formül birimi içindeki toplam pozitif ve negatif yüklerin birbirini tam olarak sıfırlaması gerekmektedir. Katyon ve anyonların yükleri, bu iyonların hangi en küçük tam sayı oranında birleşeceğini belirlemektedir. Örneğin Na⁺ ve Cl⁻ iyonları eşit büyüklükte ve zıt işaretli yüklere sahip olduğundan, katyonun anyona oranı 1'e 1 olmakta ve bileşik NaCl biçiminde yazılmaktadır. Buna karşılık +2 yüklü bir Mg²⁺ iyonunu dengelemek için iki adet −1 yüklü Cl⁻ iyonu gerektiğinden, magnezyum klorürün formül birimi MgCl₂ olmaktadır.

İki elementten oluşan ikili iyonik bileşiklerin formülü kurulurken, iyonlardan birinin yükünün mutlak değeri diğer iyonun alt indisi olarak çaprazlanabilmektedir. Ancak bu çaprazlama işlemi sonucunda ortaya çıkan sayılar ortak bir bölene sahipse yine en küçük tam sayı oranına indirgenmelidir. Nitekim Mg²⁺ ve O²⁻ iyonlarının yükleri çaprazlandığında geçici olarak Mg₂O₂ ifadesi elde edilse de, 2'ye 2 oranı sadeleştirilerek doğru basit formül olan MgO biçiminde yazılmaktadır. Sadeleştirme adımı bu nedenle atlanmamalıdır.

Kimyasal yazımda ayrıca 1 alt indisi hiçbir zaman açıkça yazılmamaktadır. Elektronik sanayisinde transistörlerde ve çeşitli aygıtlarda yaygın olarak kullanılan galyum arsenür bileşiğinde galyum ve arsenik atomları 1'e 1 oranında bulunduğundan 1 indisleri yazılmamakta ve formül GaAs olarak gösterilmektedir. Benzer şekilde evropiyum(III) oksitte iki adet Eu³⁺ iyonunun +6 olan toplam yükünü üç adet O²⁻ iyonunun −6 olan yükü dengelemekte ve net yükü sıfır yapan Eu₂O₃ formülü elde edilmektedir.

Bazı iyonik kristaller tek atomlu iyonlar yerine çok atomlu iyon (İng: "polyatomic ion") birimleri içermektedir. Kalsiyum fosfat bileşiğinde örneğin her bir Ca²⁺ iyonu +2 yük taşırken, fosfat iyonu (PO₄³⁻) grup halinde −3 yük taşımaktadır. Toplam yükü sıfırlamak için üç Ca²⁺ iyonunun oluşturduğu +6 yüke karşılık iki PO₄³⁻ iyonunun −6 yükü gerekmekte ve bileşik Ca₃(PO₄)₂ olarak yazılmaktadır. Eğer bu bileşik parantez kaldırılarak Ca₃P₂O₈ biçiminde yazılırsa formül birimindeki her atomun toplam sayısı yine doğru verilmiş olmaktadır. Fakat Ca₃(PO₄)₂ yazımı, yapının içinde bağımsız kimliğiyle ayırt edilebilen PO₄³⁻ iyonlarının bulunduğunu görünür kıldığı için tercih edilmektedir. Benzer şekilde hidrat (İng: "hydrate") bileşikleri, belirli oranlarda gevşek bağlı kristal suyu molekülleri içeren bileşiklerdir.

Evrim Ağacı

Kütlece Yüzde Bileşimden Basit Formüle

Laboratuvarda yeni sentezlenen bir kimyasal ürünün formülünü belirleme süreci, öncelikle tepkime ürünlerinin ortamdan ayrılması ve tamamen saflaştırılması adımıyla başlamaktadır.⁠^[5] Ardından saf hale getirilen bilinmeyen bileşiğin içinde hangi elementlerin ne miktarda bulunduğunu saptamak için element analizi (İng: "elemental analysis") uygulanmaktadır.⁠^[3] Bu incelemenin devamında gerçekleştirilen nicel analiz (İng: "quantitative analysis") işlemi, bileşiğin yapısındaki her bir elementin toplam kütle içindeki payını ölçmeyi kapsamaktadır.

Ölçülen bu payların 100 birimlik toplam madde kütlesine göre ifade edilmesiyle bileşiğin kütlece yüzde bileşim (İng: "percent composition") verileri elde edilmektedir. Her bir elementin kütlece yüzde (İng: "mass percentage") değeri, ilgili elementin numunedeki kütle oranını göstermektedir. Tam bir analizde tüm elementlerin yüzdeleri toplamı yaklaşık %100 olmalıdır. Hesaplamalar sırasında ondalık basamakların yuvarlanması, toplamın %100 değerinden çok küçük sapmalar göstermesine yol açabilmektedir. Ancak analiz sonucunda ölçülen yüzdelerin toplamı %100'ün belirgin biçimde altında kalıyorsa, eksik kalan kütlenin her zaman oksijenden kaynaklandığı varsayılamamaktadır. Henüz test edilmemiş başka bir element de bu kütle farkını oluşturabilmektedir.

Kütlece yüzde bileşim verilerinden basit formüle geçebilmek için öncelikle bu yüzdelerin göreli atom sayılarına dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu dönüşümde işlem kolaylığı sağlamak amacıyla 100,0 gramlık bir bileşik örneği bulunduğu varsayılmaktadır. Aslında gerçek laboratuvar analizlerinde kullanılan numuneler genellikle miligram düzeyinde çok küçük miktarlar olsa da, kütlece yüzde oranları numune miktarından bağımsız olduğu için 100,0 gram varsayımı yüzdeleri doğrudan gram cinsinden kütle değerlerine çevirmeyi sağlamaktadır. Yüzde ile gram burada aynı sayı olmaktadır.

Kütle Verilerinden Mol Sayısına Geçiş

Terazide ölçülen veya 100,0 gram varsayımıyla elde edilen kütle verileri, atomların sayısını doğrudan vermemektedir, çünkü farklı elementlerin tekil atomları birbirinden farklı ağırlıklara sahiptir ve her elementin kendine özgü bir atom kütlesi (İng: "atomic mass") bulunmaktadır. Bir elementin 1 mol atomunun gram cinsinden kütlesini ifade eden mol kütlesi (İng: "molar mass"), kütle ile tanecik sayısı arasındaki dönüşüm köprüsünü kurmaktadır. Dolayısıyla her elementin gram cinsinden kütlesi (), kendi mol kütlesine () bölünerek numunedeki mol sayısı (İng: "number of moles") () şu denklemle hesaplanmaktadır:⁠^[2]

Bu eşitlikte elementin mol cinsinden miktarını, elementin numunedeki gram kütlesini ve ise birimi g/mol olan mol kütlesini temsil etmektedir. Ancak her elementin mol sayısı ayrı ayrı hesaplandıktan sonra ortaya çıkan değerler genellikle küsuratlı sayılar olmaktadır. Bu nedenle küsuratlı sayıları tam sayı oranına yaklaştırmak için numunedeki bütün elementlerin mol sayıları, içlerinde en küçük miktarda bulunan elementin mol sayısına bölünmektedir. En az bulunan elementin oranı böylece 1'e eşitlenmekte ve diğer elementlerin oranları buna göre ifade edilmektedir. Bu iki adımın bir hidrokarbonda nasıl işlediği, molekül formülüne geçişi anlatan bölümdeki çözümlü örnekte ayrıntılı olarak gösterilmektedir.

Kesirli Oranların Tam Sayıya Çevrilmesi

Tüm elementlerin mol sayıları en küçük değere bölündüğünde her zaman doğrudan tam sayıya yuvarlanabilecek sonuçlar çıkmamaktadır. Hem hesaplamalardaki yuvarlama payları hem de deneysel verilerdeki küçük sapmalar tam sayı olmayan oranlar üretebilmektedir. Fakat daha önemlisi, bileşiğin gerçek stokiyometrik oranının kendisi 2'ye 3 veya 3'e 4 gibi en küçük bileşenin 1 olmadığı bir tam sayı oranına dayanabilmektedir.

En küçük mol sayısına bölme adımının ardından 1,50, 1,33 veya 1,25 gibi belirgin ondalık değerler ortaya çıktığında, bunları doğrudan en yakın tam sayıya yuvarlamak formülü bozmaktadır. Bunun yerine formüldeki bütün alt indislerin uygun bir katsayı (İng: "coefficient") ile çarpılarak tam sayıya genişletilmesi gerekmektedir. Hesap sonucunda 1,50 oranının çıkması tüm alt indislerin 2 ile, 1,33 oranının çıkması 3 ile, 1,25 oranının çıkması ise 4 ile çarpılması gerektiğini göstermektedir. Bu genişletme kuralının iki elementli bir sistemde nasıl uygulandığı demir oksit analizi üzerinde açıkça görülmektedir.

Çözümlü örnek 1: Kütlece %69,94 demir ve %30,06 oksijen içeren bir demir oksit bileşiğinin basit formülü nedir?

Verilenler: Bileşiğin kütlece %69,94 demir (Fe) ve %30,06 oksijen (O) içerdiği bilgisi ile demirin 55,85 g/mol ve oksijenin 16,00 g/mol olan mol kütleleri.⁠^[3]

İstenen: Fe ve O atomlarının en küçük tam sayı oranı.

1. adım: 100,0 gramlık örnekte yüzdeler gram değerine eşitlenmektedir:

2. adım: Gram değerleri mol sayısına çevrilmektedir:

3. adım: Küçük olan demir değeri 1 kabul edilerek oksijenin payı bulunmaktadır:

4. adım: 1,5 kesri 2 ile genişletilmektedir:

Sonuç: 2'ye 3 mol oranı, demir(III) oksidin Fe₂O₃ formülünü vermektedir.

Üstelik aynı genişletme ilkesi üç farklı element içeren biyolojik moleküllerin analizinde de geçerlidir. Örneğin C vitamini olarak bilinen askorbik asidin kütlece yüzde verileri incelendiğinde, en küçük mol sayısına bölme işlemi 1,333 gibi devirli bir kesir vermekte ve tüm oranların 3 katsayısı ile çarpılmasını gerektirmektedir.

Evrim Ağacı

Çözümlü örnek 2: Kütlece %40,92 karbon, %4,58 hidrojen ve %54,50 oksijen içeren askorbik asidin (C vitamini) basit formülü nedir?

Verilenler: %40,92 C, %4,58 H ve %54,50 O bileşimi. Mol kütleleri C için 12,011, H için 1,008, O için 15,999 g/mol.⁠^[4]

İstenen: Askorbik asidin basit formülü.

1. adım: Yüzdeler 100 gramlık numunenin gram değerleri olarak okunmaktadır:

2. adım: Üç elementin mol sayısı ayrı ayrı hesaplanmaktadır:

3. adım: Bölen olarak en küçük değer, yani 3,406 mol oksijen seçilmektedir:

4. adım: Hidrojendeki 1,333 kesri, bütün oranların 3 ile çarpılmasını gerektirmektedir:

Sonuç: C vitamininin en sade atom oranı C₃H₄O₃ biçimindedir.

Deneysel Ölçümlerden Basit Formül Eldesi

Kütlece yüzde verileri hazır bir liste olarak verilmediğinde, bir bileşiğin basit formülünü belirlemek için element kütlelerinin doğrudan laboratuvar deneyleriyle ölçülmesi gerekmektedir. Bu deneysel yöntemlerin tamamı, kimyasal tepkimeler sırasında hiçbir atomun yok olmaması ve dışarıdan katılan ya da ayrılan atomların kütlesel değişim yaratması ilkesine dayanmaktadır. Dolayısıyla başlangıçtaki saf maddeler ile tepkime sonunda oluşan ürünler hassas terazilerde tartılarak her elementin tepkimeye giren gerçek kütlesi saptanmaktadır. Yöntemin temeli tartımdır.

Kütle farkına dayanan bu gravimetrik ölçümler, incelenen maddenin kimyasal yapısına göre iki temel düzenek üzerinden yürütülmektedir. Birinci yaklaşımda saf bir metal, havadaki oksijenle tepkimeye sokularak katı bir metal oksit bileşiğine dönüştürülmekte ve kapta meydana gelen kütle artışından bağlanan oksijenin kütlesi doğrudan hesaplanmaktadır. Buna karşın ikinci yaklaşımda karbon ve hidrojen içeren bileşikler saf oksijen akımında tamamen yakılarak gaz fazındaki ürünlere dönüştürülmekte ve bu gazların özel soğurucu tüplerde yarattığı kütle artışları ölçülmektedir.

Metal Oksitlerde Sabit Kütle Deneyi

Bir metalin oksijenle birleşme oranını doğrudan ölçen en klasik laboratuvar uygulaması magnezyum oksit kroze deneyidir. Bu deneyin başında magnezyum şeridin yüzeyinde önceden oluşmuş herhangi bir oksit kaplamasını uzaklaştırmak amacıyla şerit iyice temizlenmektedir.⁠^[9]

Deney sürecinde önce boş ve kapaklı krozenin kütlesi (), ardından içine temizlenmiş magnezyum şerit yerleştirilmiş kapaklı krozenin kütlesi () hassas biçimde tartılmaktadır. Daha sonra kapaklı kroze ısıtıldığında magnezyum havadaki oksijenle birleşerek katı magnezyum okside dönüşmektedir. Tepkimenin eksiksiz tamamlandığından emin olmak için ısıtma, soğutma ve tartım adımları, art arda yapılan iki tartım birbirine benzer kütleler verene kadar sürdürülmekte ve bu işleme sabit kütleye getirme adı verilmektedir.⁠^[9] Böylece sabit kütleye ulaşan kapaklı kroze ve ürünün son kütlesi () ölçüldüğünde, farkı tepkimeye giren magnezyumun kütlesini, ısıtma sonrasındaki kütle artışı olan farkı ise magnezyumla birleşen oksijenin kütlesini vermektedir.

Çözümlü örnek 3: Kapaklı krozede yakılan 2,39 gram magnezyum şeridin tepkime sonunda 1,39 gram oksijenle birleştiği ölçüldüğüne göre oluşan bileşiğin basit formülü nedir?

Verilenler: Kroze tartımlarından elde edilen 2,39 g magnezyum (Mg) kütlesi, kütle artışından bulunan 1,39 g oksijen (O) kütlesi ile kaynakta kullanılan 24 g/mol (Mg) ve 16 g/mol (O) mol kütleleri.⁠^[8]

İstenen: Deney sonucunda oluşan magnezyum oksit bileşiğinin basit formülü.

1. adım: Magnezyum ve oksijen gramları mol sayısına çevrilmektedir:

2. adım: Magnezyum değeri, küçük olan oksijen değerine oranlanmaktadır:

Sonuç: Yaklaşık 1'e 1 oran, ürünün MgO olduğunu göstermektedir.

Organik Bileşiklerde Yanma Analizi

Karbon, hidrojen ve oksijen içeren organik bileşik (İng: "organic compound") türlerinin elementel bileşimini saptamak amacıyla yanma analizi (İng: "combustion analysis") adı verilen bir düzenek kullanılmaktadır. Bu yöntemde kütlesi hassas olarak tartılmış numune bir yakma hattına yerleştirilmekte ve kuru O₂ gazı akımı içinde yüksek sıcaklıkta ısıtılmaktadır.⁠^[6]

Numune kuru oksijen akımında tam bir yanma tepkimesi (İng: "combustion reaction") geçirdiğinde, bileşikteki bütün hidrojen atomları gaz fazındaki suya, yani H₂O(g) moleküllerine dönüştürülmektedir. Oluşan bu su buharı, başlangıç kütlesi önceden tartılmış birinci soğurma tüpünde seçici olarak tutulmaktadır. Aynı anda numunedeki bütün karbon atomları karbondioksit gazına, yani CO₂(g) moleküllerine dönüşmekte ve ikinci soğurma tüpünde seçici olarak soğurulmaktadır.

Tepkime tamamlandığında her iki soğurma tüpü yeniden tartılmakta ve birinci tüpteki kütle artışı oluşan H₂O kütlesini, ikinci tüpteki kütle artışı ise oluşan CO₂ kütlesini doğrudan vermektedir. Her 1 mol CO₂ içinde 1 mol C atomu ve her 1 mol H₂O içinde 2 mol H atomu bulunduğundan, tutulan gazların kütlelerinden stokiyometrik oranlar yardımıyla başlangıçtaki numunenin karbon ve hidrojen mol sayıları hesaplanmaktadır. Sadece karbon ve hidrojenden oluşan naftalin bileşiğinin yanma verileri, bu stokiyometrik geçişin nasıl işlediğini somut biçimde ortaya koymaktadır.

Çözümlü örnek 4: 20,10 miligram naftalin örneğinin oksijen içinde tam yanmasından 69,00 miligram CO₂ ve 11,30 miligram H₂O elde edildiğine göre naftalinin basit formülü nedir?

Verilenler: Yakılan 20,10 mg naftalin numunesi, soğurma tüplerinde tutulan 69,00 mg CO₂ ve 11,30 mg H₂O kütleleri.

İstenen: Naftalinin basit formülü.

1. adım: Gaz kütlelerinden C ve H miktarları türetilmektedir:

2. adım: Ortak 10⁻³ çarpanı sadeleşmekte ve karbon hidrojene oranlanmaktadır:

3. adım: ara ifadesi 4 ile genişletilmektedir:

Sonuç: Naftalinin yanma verisi C₅H₄ oranına karşılık gelmektedir.

İncelenen organik madde karbon ve hidrojenin yanı sıra oksijen de içeriyorsa, oksijen kütlesi farktan bulunmaktadır. Örneğin yakma hattında yakılan 6,49 mg askorbik asit numunesinden 9,74 mg CO₂ ve 2,64 mg H₂O oluşmaktadır. Böylece bu gaz kütlelerinden numunenin içinde 2,65 mg C ve 0,295 mg H bulunduğu hesaplanmaktadır. Buna karşılık oksijen kütlesi, toplam numune kütlesinden karbon ve hidrojen kütleleri çıkarılarak 3,54 mg olarak bulunmaktadır. Kütleler mol sayılarına çevrildiğinde C, H ve O arasındaki oran 3'e 4'e 3 çıkmakta ve böylece yine C₃H₄O₃ basit formülü elde edilmektedir.

Ancak oksijen kütlesini toplam kütleden fark alarak bulma işlemi, bileşikte sadece C, H ve O elementlerinin bulunduğu varsayımına dayanmaktadır. Başka bir element varsa bu varsayım geçersiz kalmaktadır. Üstelik yanma analizi tek başına sadece basit formülü belirleyebilmekte, bileşiğin gerçek molekül formülünü saptayamamaktadır.

Evrim Ağacı

Basit Formülden Molekül Formülüne Geçiş

Element analizi veya yanma düzeneği bileşiğin basit formülünü ortaya koysa da, bu bilgi incelenen maddenin kimliğini tek başına kesinleştirmeye yetmemektedir, çünkü aynı basit formülü yedi farklı molekül paylaşabilmekte ve bunlar basit element analiziyle ayırt edilememektedir. Formaldehit ile glikozun ortak CH₂O oranı bunun bir örneğidir.

Aynı basit formülü paylaşan bu bileşik ailelerini birbirinden ayırmanın yolu, bir molekülün içinde kaç tane formül biriminin bir araya geldiğini bulmaktan geçmektedir. Başka bir deyişle herhangi bir bileşiğin molekül formülü, basit formüldeki alt indislerin aynı tam sayı katına karşılık gelmektedir. Bu tam sayı katını bulabilmek için öncelikle formül kütlesi (İng: "formula mass"), yani basit formüldeki elementlerin atom kütlelerinin kendi alt indisleriyle çarpılıp toplanmasıyla elde edilen basit formül kütlesi hesaplanmaktadır. Ardından bağımsız bir deneyle maddenin gerçek molekül büyüklüğü ölçülmektedir.

Molekül Kütlesi Ölçümüyle Katların Bulunması

Bir maddenin molekül kütlesi (İng: "molecular mass") değerini deneysel olarak belirleme fikri, İtalyan fizikçi Amedeo Avogadro tarafından 1811 yılında Journal de Physique dergisinde yayımlanan makaleye kadar uzanmaktadır.⁠^[11] Avogadro bu çalışmasında eşit hacimdeki tüm gazların aynı sıcaklık ve basınç altında eşit sayıda molekül içerdiği varsayımını ortaya koymuştur.⁠^[11] Aynı sıcaklık ve basınçtaki farklı gazların yoğunlukları oranı dolayısıyla doğrudan bu gazların tekil molekül kütlelerinin birbirine oranını vermektedir. Gaz yoğunluğu ölçümlerinin yanı sıra çözeltilerin donma noktası alçalması ve ozmotik basınç ölçümleri de yaklaşık molekül kütlesini belirlemede kullanılabilmektedir.

Deneysel olarak ölçülen mol kütlesi veya molekül kütlesi (), basit formülün hesaplanan formül kütlesine () bölündüğünde molekülde kaç adet formül birimi bulunduğunu gösteren tam sayı çarpanı () şu bağıntıyla elde edilmektedir:⁠^[2]

Bu denklemde molekül formülü çarpanını, deneyle ölçülen molekül veya mol kütlesini, ise basit formülün toplam kütlesini göstermektedir. Bulunan çarpanı basit formüldeki her bir alt indisle çarpıldığında doğrudan gerçek molekül formülüne ulaşılmaktadır. Basit formülü CH₂O olan glikozda örneğin 180 g/mol olan deneysel mol kütlesi, 30,026 g/mol olan formül kütlesine bölündüğünde 5,99 değeri çıkmakta ve bu değer 6'ya yuvarlanmaktadır. Buna göre glikozun molekül formülü (CH₂O)₆, yani yaygın yazımıyla C₆H₁₂O₆ olarak bulunmaktadır.

Aynı yöntem hidrokarbonlara uygulandığında da gerçek molekül büyüklüğünü hemen ortaya çıkarmaktadır. Yanma analizinden basit formülü C₅H₄ olarak bulunan naftalinin gerçek molekül formülü, bu alt indislerin iki katı olan C₁₀H₈ biçimindedir. Kütlece %85,6 C ve %14,4 H içeren ve molekül kütlesi 28 olarak ölçülen bir hidrokarbonda ise basit formülden molekül formülüne kadar bütün adımlar tek bir hesapta izlenebilmektedir.

Evrim Ağacı

Çözümlü örnek 5: Kütlece %85,6 C ve %14,4 H bulunan, molekül kütlesi 28 olan hidrokarbon hangi formüle sahiptir?

Verilenler: Ölçülen molekül kütlesi 28. Bileşim %85,6 C ve %14,4 H. Mol kütleleri 12,01 g/mol (C) ve 1,008 g/mol (H).⁠^[5]

İstenen: Hidrokarbonun önce basit formülü, ardından molekül formülü.

1. adım: 85,6 g karbon ile 14,4 g hidrojen mole çevrilmektedir:

2. adım: Hidrojen, küçük olan karbon değerine bölünmektedir:

3. adım: 1'e 2 oranından çıkan CH₂ biriminin kütlesi toplanmaktadır:

4. adım: Çarpan için 28, 14,03 değerine bölünmektedir:

5. adım: CH₂ birimi ikiyle çoğaltılmaktadır:

Sonuç: Basit oran CH₂, gerçek molekül ise C₂H₄ olarak belirlenmektedir. İki ara sonuç da en yakın tam sayı olan 2'ye yuvarlanmıştır.

Örnek 2'de basit formülü C₃H₄O₃ olarak bulunan askorbik asidin gerçek formülü de aynı adımlarla kesinleştirilmektedir. Bu kez deneysel molekül kütlesi akb (amu) cinsinden verilmektedir.

Çözümlü örnek 6: Molekül kütlesi 176 akb ölçülen C vitamininin gerçek formülü nedir?

Verilenler: Örnek 2'de bulunan C₃H₄O₃ oranı, ölçülen 176 akb ve C, H, O için 12,011, 1,008 ve 15,999 akb.

İstenen: Bir moleküldeki gerçek atom sayıları.

1. adım: C₃H₄O₃ biriminin toplam kütlesi bulunmaktadır:

2. adım: Deneysel 176 akb, 88,062 akb ile oranlanmaktadır:

3. adım: Bütün alt indisler ikiye katlanmaktadır:

Sonuç: Bir C vitamini molekülü C₆H₈O₆ formülüne sahiptir.

Yapı Formülü Sınırı

Yaklaşık bir molekül kütlesi ölçümü, aynı CH basit formülünü paylaşan yedi bileşik arasından C₂H₂, C₄H₄ ve C₆H₆ moleküllerini birbirinden ayırmaya yardımcı olmaktadır. Fakat numunenin molekül formülünün C₆H₆ olduğunu saptamak bile incelenen maddenin hangi belirli C₆H₆ molekülü olduğunu tek başına tayin edememektedir, çünkü bir molekülü tanımlamak için atomların birbirine nasıl bağlandığı da önemlidir.

Bir molekülü tam olarak tanımlayabilmek için sadece içerdiği atom sayılarını bilmek yetmemekte, atomların birbirine nasıl bağlandığını ve üç boyutlu uzaydaki dizilimini de belirlemek gerekmektedir. Hangi atomların hangi atomlara bağlandığını açıkça gösteren temsile yapı formülü (İng: "structural formula") adı verilmektedir.⁠^[6] Üstelik atomların uzaydaki bu bağlanma düzenini ve yapı formüllerini ortaya çıkarmak daha karmaşık deneyler gerektirmektedir.

Kavram Yanılgıları ve Deneysel Sapmalar

Kimyasal formüllerin kütle verilerinden türetilmesi sırasında düşülen hatalardan biri, terazide ölçülen kütle oranları ile atomların mol sayısı oranlarını birbirine karıştırmaktır. Christianto, Carvalho ve Parera bu konuda 2025 yılında Orbital dergisinde tanılayıcı bir araştırma yayımlamıştır. Araştırmanın örneklemi, Endonezya'daki SMAN 5 Kupang okulunun XI-C sınıfından amaçlı örneklemeyle seçilen 32 katılımcıdan oluşmaktadır.⁠^[12] Bulguları sadece bu 32 kişilik örnekleme ait olan çalışmada kaydedilen yanılgılar arasında şu üçü yer almaktadır. Bu yanılgılardan ilki basit formülün sadece kütlelerin basit bir karşılaştırması olduğu düşüncesi, ikincisi ise molekül formülünün bileşen atomların kütle oranlarından doğrudan belirlendiği inancıdır. Oysa karbonun mol kütlesi 12,011 g/mol iken hidrojenin mol kütlesi 1,008 g/mol olduğundan, eşit kütledeki iki element eşit sayıda atom içermemektedir. Kütleler bu nedenle mol kütlelerine bölünmeden hiçbir formül alt indisi yazılamamaktadır.

Aynı araştırmada tespit edilen üçüncü kavram yanılgısı ise verilen bir bileşik grubu içinde en az sayıda atom içeren bileşiği seçmenin basit formülü belirlemek için yeterli olduğu düşüncesidir.⁠^[12] Halbuki bir formülün basit formül olup olmadığını toplam atom sayısının azlığı değil, alt indislerin 1 dışında ortak bir bölene sahip olup olmadığı belirlemektedir. C₂H₂ örneğin sadece dört atom içermesine rağmen alt indisleri 2 ile sadeleşebildiği için bir basit formül değildir. Buna karşılık yedi atom içeren C₂H₅ veya on atom içeren C₃H₄O₃ ifadeleri daha fazla sadeleştirilemediği için birer basit formüldür.

Kavramsal hataların ötesinde, laboratuvarda tüm kurallar doğru uygulansa bile deneysel süreçteki fiziksel kayıplar tam sayı oranlarından sapmalara yol açabilmektedir. Magnezyum oksit kroze deneyinde örneğin kapak kaldırıldığında oluşan magnezyum oksit ürününün bir kısmı kaçabilmektedir.⁠^[8] Bu durumda ürünün kaçması son tartımı düşürerek oksijen kütlesinin gerçekte olduğundan daha az hesaplanmasına neden olmaktadır. Benzer şekilde kroze içinde magnezyumun tamamının tepkimeye girmemesi durumunda, oluşan ürün saf beyaz yerine hafif gri görünmekte ve oksijenin magnezyuma mol oranı yine beklenen 1'e 1 değerinin altında kalmaktadır.

Evrim Ağacı

Sonuç

Basit formül atomların en sade tam sayı oranını verirken, molekül formülü bu oranın deneysel molekül kütlesiyle bulunan katını göstermektedir. Bütan gazında C₂H₅ basit oranı ikiye katlanarak C₄H₁₀ gerçek molekülünü verirken, ayrık moleküller içermeyen NaCl, MgCl₂ ve Ca₃(PO₄)₂ gibi iyonik ağlarda basit formül doğrudan yapının formül birimini temsil etmektedir.

Bilinmeyen bir maddenin formülü iki aşamada belirlenmektedir. Saflaştırılmış maddenin kütlece yüzde analizi ve yanma düzenekleri CH, CH₂O veya C₃H₄O₃ gibi en sade tam sayı oranını vermektedir. Ardından gaz yoğunluğu, donma noktası alçalması veya ozmotik basınçla bulunan yaklaşık molekül kütlesi, asetileni (C₂H₂) benzenden (C₆H₆) ayırmaktadır.⁠^[7]

Bununla birlikte molekül formülünün belirlenmesi bile kimyasal kimliklendirmenin son durağı değildir, çünkü belirli bir C₆H₆ molekülünü tanımlamak için atomların birbirine nasıl bağlandığını gösteren yapı formülü gerekmektedir.