실험식

1. 개요

실험식은 화학에서 화합물을 구성하는 각 원소의 원자 수의 가장 간단한 정수비율을 나타낸다. 분자식, 구조식과는 달리 실험식은 이성질체, 분자 구조, 원자의 절대적인 개수와는 관련이 없다. 실험식은 이온성 화합물이나 고분자에서 주로 사용되며, 원소 분석을 통해 얻은 원소의 상대적 비율을 기반으로 한다. 물리학에서는 실험적 관계에서 유래하여 실험 결과를 예측하는 수학 방정식을 의미하며, 리드베리 공식이 그 예시이다.

2. 화학에서의 실험식

"실험"(empirical)이라는 표현은 화합물 중 원소의 상대적 비율을 결정하는 분석화학적 방법인 원소 분석 과정을 참조한다.

아세트산메틸 시료의 화학 분석 결과 탄소(C) 48.64%, 수소(H) 8.16%, 산소(O) 43.20%로 나타났다. 실험식을 구하기 위해 화합물 100g을 사용한다고 가정하면, 각 원소의 백분율은 질량(g)과 같다.

* 1단계: 각 원소의 백분율을 질량(g)으로 나타낸다. (C 48.64% → C 48.64g, H 8.16% → H 8.16g, O 43.20% → O 43.20g)

* 2단계: 각 원소의 질량(g)을 몰(mol)로 변환한다.
:$\backslash left(\backslash frac\{48.64\; \backslash mbox\{\; g\; C\}\}\{1\}\backslash right)\backslash left(\backslash frac\{1\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\{12.01\; \backslash mbox\{\; g\; C\}\}\backslash right)\; =\; 4.049\backslash \; \backslash text\{mol\}$
:$\backslash left(\backslash frac\{8.16\; \backslash mbox\{\; g\; H\}\}\{1\}\backslash right)\backslash left(\backslash frac\{1\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\{1.007\; \backslash mbox\{\; g\; H\}\}\backslash right)\; =\; 8.095\backslash \; \backslash text\{mol\}$
:$\backslash left(\backslash frac\{43.20\; \backslash mbox\{\; g\; O\}\}\{1\}\backslash right)\backslash left(\backslash frac\{1\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\{16.00\; \backslash mbox\{\; g\; O\}\}\backslash right)\; =\; 2.7\backslash \; \backslash text\{mol\}$

* 3단계: 각 원소의 몰수를 가장 작은 값(2.7)으로 나눈다.
:$\backslash frac\{4.049\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\{2.7\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\; =\; 1.5$
:$\backslash frac\{8.095\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\{2.7\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\; =\; 3$
:$\backslash frac\{2.7\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\{2.7\; \backslash mbox\{\; mol\; \}\}\; =\; 1$

* 4단계: 필요한 경우, 정수비를 얻기 위해 모든 값에 같은 정수를 곱한다.
:$1.5\; \backslash times\; 2\; =\; 3$
:$3\; \backslash times\; 2\; =\; 6$
:$1\; \backslash times\; 2\; =\; 2$

따라서 아세트산메틸의 실험식은 C₃H₆O₂이며, 이는 분자식과 같다.

2.1. 실험식의 특징

포도당(C₆H₁₂O₆), 리보스(C₅H₁₀O₅), 아세트산(C₂H₄O₂) 및 포름알데히드(CH₂O)는 모두 분자식은 다르지만 실험식은 CH₂O로 같다. 이것은 포름알데히드의 실제 분자식이지만, 아세트산은 원자 수가 두 배이고, 리보스는 다섯 배이며, 포도당은 여섯 배이다.

화학에서 실험식은 화합물에 존재하는 각 원소의 원자 수의 가장 간단한 비율이다. 실험식은 이성질체나 구조, 또는 원자의 절대 수와는 전혀 관련이 없다. 실험식은 염화칼슘(CaCl₂)과 같은 대부분의 이온성 화합물이나 이산화규소(SiO₂)와 같은 고분자에서 표준적으로 사용된다.

반대로, 분자식은 한 분자 내 각 종류의 원자 수를 나타내며, 구조식은 분자의 구조까지 보여준다.

예를 들어, 화합물 n-헥산의 구조식은 CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃이며, 6개의 탄소 원자가 직쇄상으로 배열되어 있고 14개의 수소 원자가 있음을 나타낸다. 헥산의 분자식은 C₆H₁₄이고, 실험식은 C:H 비가 3:7임을 나타내는 C₃H₇이다. 서로 다른 화합물이라도 같은 실험식을 가질 수 있다. 예를 들어, 포름알데히드와 아세트산, 포도당은 같은 실험식 CH₂O를 갖는다. 이것은 포름알데히드의 정확한 화학식이지만, 아세트산은 2배, 포도당은 6배의 원자 수를 갖는다.

2.2. 분자식 및 구조식과의 차이점

화학에서 분자식은 한 분자 내 각 종류의 원자 수를 나타내며, 구조식은 분자의 구조까지 보여준다. 반대로, 실험식은 화합물에 존재하는 각 원소의 원자 수의 가장 간단한 비율을 나타낸다. 실험식은 이성질체나 구조, 또는 원자의 절대 수와는 전혀 관련이 없다.

예를 들어, 화합물 n-헥산의 구조식은 CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃이며, 6개의 탄소 원자가 직쇄상으로 배열되어 있고 14개의 수소 원자가 있음을 나타낸다. 헥산의 분자식은 C₆H₁₄이고, 실험식은 C:H 비가 3:7임을 나타내는 C₃H₇이다. 서로 다른 화합물이라도 같은 실험식을 가질 수 있다. 예를 들어, 포름알데히드와 아세트산, 포도당은 같은 실험식 CH₂O를 갖는다. 이것은 포름알데히드의 정확한 화학식이지만, 아세트산은 2배, 포도당은 6배의 원자 수를 갖는다.

2.3. 실험식 예시

포도당(C₆H₁₂O₆), 리보스(C₅H₁₀O₅), 아세트산(C₂H₄O₂) 및 포름알데히드(CH₂O)는 모두 분자식이 다르지만 실험식은 CH₂O로 같다. 이것은 포름알데히드의 실제 분자식이지만, 아세트산은 원자 수가 두 배이고, 리보스는 다섯 배이며, 포도당은 여섯 배이다.

예를 들어, 화합물 n-헥산의 구조식은 CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃이며, 6개의 탄소 원자가 직쇄상으로 배열되어 있고 14개의 수소 원자가 있음을 나타낸다. 헥산의 분자식은 C₆H₁₄이고, 실험식은 C:H 비가 3:7임을 나타내는 C₃H₇이다. 서로 다른 화합물이라도 같은 실험식을 가질 수 있다.

2.4. 실험식 계산 예시 (아세트산메틸)

아세트산메틸 시료의 화학 분석 결과는 탄소(C) 48.64%, 수소(H) 8.16%, 산소(O) 43.20%이다. 실험식을 결정하기 위해 화합물 100g을 사용한다고 가정하면, 백분율은 각 원소의 질량(g)과 같다.

* 1단계: 각 백분율을 각 원소의 질량(g)으로 나타낸다. 즉, C 48.64%는 C 48.64g, H 8.16%는 H 8.16g, O 43.20%는 O 43.20g이 된다.

* 2단계: 각 원소의 질량(g)을 몰(mol)로 변환한다.
: 48.64 g C x (1 mol / 12.01 g C) = 4.049 mol
: 8.16 g H x (1 mol / 1.007 g H) = 8.095 mol
: 43.20 g O x (1 mol / 16.00 g O) = 2.7 mol

* 3단계: 결과값을 가장 작은 값(2.7)으로 나눈다.
: 4.049 mol / 2.7 mol = 1.5
: 8.095 mol / 2.7 mol = 3
: 2.7 mol / 2.7 mol = 1

* 4단계: 필요한 경우, 정수를 얻기 위해 이 숫자에 정수를 곱한다. 하나의 숫자에 연산을 수행하면 모든 숫자에 동일한 연산을 수행해야 한다.
: 1.5 x 2 = 3
: 3 x 2 = 6
: 1 x 2 = 2

따라서 아세트산메틸의 실험식은 C₃H₆O₂이다. 이 식은 아세트산메틸의 분자식이기도 하다.

3. 물리학에서의 실험식

물리학에서 실험식은 실험이나 추측 등의 경험적 관계에서 유래하지만, 제1원리에는 직접 유래하지 않는, 실험 결과를 예측하는 수학 방정식을 의미한다.

3.1. 예시: 리드베리 공식

물리학에서, 수소의 스펙트럼선의 파장을 예측하는 Rydberg formula^영어이 실험식의 예시이다. 리드베리 공식은 1888년에 제안되었고, 라이먼 계열의 파장을 완벽하게 예측했지만, 1913년에 닐스 보어가 보어의 원자 모형을 만들어낼 때까지 이론적 기초가 부족했다.