有機化合物の構造を直接調べることは容易ではないが、その組成式を実験により推定することは比較的簡単である。組成と分子量が分かれば分子式を求めることができ、そこから化合物の構造を絞り込むことができる。
はじめに、ある化合物に含まれている元素の種類を推定する方法を紹介する。基本的に有機化合物は炭素と水素を主成分としてできているが、わずかに塩素原子や窒素原子などを含んでいるものもある。ある化合物にこのような特定の元素が含まれているかを実験で調べることができる。
試料を完全燃焼させると、炭素 C は二酸化炭素 CO2 になり、水素 H は水 H2O になる。燃焼により発生する気体を石灰水に通して白濁すれば、二酸化炭素が生じている。また、燃焼により発生する液体を塩化コバルト紙につけたとき、青色から淡赤色に変化すれば、水が生じている。
試料に水酸化ナトリウム NaOH を加え加熱すると、窒素はアンモニア NH3 となる。ガラス棒の先端に濃塩酸をつけてアンモニアに近づけるなどして、もし濃塩酸を近づけて塩酸が白煙をあげれば、窒素を生じている。この白煙は、塩化アンモニウムである。
による青緑色の炎色反応が見られる。
となっており、加熱後の液体に酢酸鉛(Ⅱ)水溶液を加えて黒色の沈殿が生じれば、硫化鉛(Ⅱ)が生じている。
もしこの化合物が炭素と水素のみ、あるいはこれらと酸素の3種類で構成されていることが分かっていれば、次の実験により化合物の組成式を推定することができる。
あらかじめ、2つの吸収管の質量を測定しておく。
とすることができる。
試料は燃焼により二酸化炭素と水を発生する。水と二酸化炭素がそれぞれ2つの吸収管に吸収される。
燃焼が終了したら、2つの吸収管の質量を測定する。先に求めた質量との差が、吸収した二酸化炭素や水の質量である。
=44であるから、
'' : w_H = a \times \frac{2}{18}[mg]
'' : w_C = b \times \frac{12}{44}[mg]
となる。すると、試料の残りは酸素原子でできているので、
'' : w_O = w - (w_H + w_C )[mg]
となる。なお、水分子と二酸化炭素分子に含まれている酸素原子はすべて試料由来ではなく、吹き込んだ酸素が結合している分も含まれているので、水と二酸化炭素の質量から求めることはできない。
以上より、試料中の水素、炭素、酸素の質量を求めることができたため、元素の個数の比を求めることができる。元素1個あたりの質量の比は、原子量の比と等しく
であるから、試料に含まれている各原子の個数の比は、
で求められる。組成式は化合物中の原子の個数の比を表すものであるから、この比により組成式が求められる。
分子1個に含まれている各原子の実際の個数は、組成式の整数倍となるから、分子量が求められていれば、組成式の式量から現実の原子の個数を計算し、分子式を求めることができる。