تحديد الصيغة التجريبية
المصدر: مختبر الدكتور نيل أبرامز - كلية جامعة ولاية نيويورك للعلوم البيئية والغابات
إن تحديد الصيغة الكيميائية للمركب هو في صميم ما يفعله الكيميائيون…
p class = "jove_title" >1. تجفيف الهيدرات
- قم بوزن عينة من هيدرات كلوريد النحاس بدقة وضعها في بوتقة مجففة مسبقا وقطران. من المهم تجفيف البوتقة فوق 120 درجة مئوية للتخلص من أي رطوبة ممتصة. عادة ما يكون 1-2 جم من المركب كافيا.
- قم بتسخين العينة باستخدام موقد بنسن أو مصدر لهب آخر حتى يتغير لونها من الأزرق المخضر إلى البني المحمر (الشكل 1). يدل هذا التغير في اللون على الشكل اللامائي لكلوريد النحاس. يمكن أن يبقى الغطاء على البوتقة لمنع تناثر التناثر ، ولكن يجب فتحه قليلا للسماح لبخار الماء بالهروب.
- حرك العينة للتأكد من إخراج الماء من العينة بأكملها وأن اللون ثابت طوال الوقت.
- كبديل ، يمكن وضع العينة في فرن تجفيف أعلى من 110 درجة مئوية.
- قم بتبريد العينة في مجفف. هذا يمنع الماء من ترطيب العينة.
- قياس كتلة العينة اللامائية. يتوافق الاختلاف مع الماء من الهيدرات الذي تم فقده عند التسخين.
الشكل 1. موقد بنسن مع بوتقة سيراميك. < p class = "jove_title" >2. عزل النحاس
- انقل العينة إلى دورق سعة 100 مل وقم بإذابة العينة في 50 مل من الماء منزوع الأيونات. يجب أن يتحول المحلول إلى اللون الأزرق مرة أخرى ، وعادة ما يكون أزرق أكثر من المادة الصلبة الرطبة.
- أضف كمية صغيرة (~ 0.20 جم) من معدن الألومنيوم إلى الدورق سيؤدي ذلك إلى تقليل النحاس إلى معدن ضارب إلى الحمرة ، وسوف يتأكسد الألمنيوم إلى Al3+ عديم اللون. يجب أن يختفي اللون الأزرق للمحلول حيث تشكل أيونات Cu2+ Cu0. بعد 30 دقيقة ، أضف قطعا صغيرة إضافية من الألومنيوم لضمان تقليل كل النحاس إلى نحاس صلب.
-
يحتوي
- المحلول الآن على أيوناتAl 3+ والنحاس الصلب وكمية صغيرة من الألومنيوم الصلب.
- قم بإذابة أي ألومنيوم زائد عن طريق إضافة ~ 5 مل من 6 M HCl. الألومنيوم مذبذب ، مما يعني أنه يمكن أن يتفاعل ويذوب في وجود حمض أو قاعدة.
- قم بتصفية المحلول عديم اللون بالتفريغ في قمع Büchner الذي يحتوي على قطعة من ورق الترشيح الموزونة مسبقا. اشطفه بالإيثانول المطلق. تجفيف العينة بالهواء (لا تجف في الفرن) لمنع تكوين أكسيد النحاس (II).
- قم بقياس كتلة المادة الصلبة النحاسية لتحديد كتلة أيون الكلوريد بالفرق.
3. الحسابات
- حدد كتلة أيون الكلوريد بالفرق:
- استخدم الكتلة المولية لكل مكون من مكونات المركب لتحديد مولات كل مكون.
- اقسم مولات كل مكون على مولات أصغر مكون لإعطاء أصغر نسبة عدد صحيح للمكونات، والمعروفة أيضا باسم الصيغة التجريبية للمركب.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يعد تحديد الصيغة الكيميائية للمركب جانبا أساسيا من مهنة الكيميائي.
في الصيغة الكيميائية ، تصف رموز العناصر والحروف السفلية العددية أنواع وعدد الذرات الموجودة في الجزيء. الصيغة التجريبية هي نوع بسيط من الصيغة الكيميائية ، والتي توفر أصغر نسبة عدد صحيح بين العناصر داخل المركب الجزيئي. بسبب قانون الحفاظ على الكتلة ، غالبا ما توجد الصيغة التجريبية باستخدام تكوين العناصر أو النسبة المئوية للكتلة.
سيقدم هذا الفيديو الصيغة التجريبية؟ويوضح كيف يمكن حسابها باستخدام تجربة بسيطة في المختبر.
الصيغة التجريبية هي أبسط أنواع الصيغ الكيميائية ، لأنها توضح العدد النسبي لذرات كل عنصر في مركب معين. على سبيل المثال ، في بيروكسيد الهيدروجين ، يوجد جزء واحد من كتلة الهيدروجين لكل 16 جزءا من كتلة الأكسجين. لذلك لكل ذرة هيدروجين ، توجد ذرة أكسجين واحدة ، والصيغة التجريبية هي H-O. قد يكون للعديد من الجزيئات المختلفة نفس الصيغة التجريبية.
ترتبط الصيغة الجزيئية بالصيغة التجريبية ، وتمثل العدد الفعلي للذرات من كل نوع في المركب. على سبيل المثال ، الصيغة الجزيئية لبيروكسيد الهيدروجين هي H2O2 ، حيث يحتوي كل جزيء على ذرتين من الهيدروجين وذرتين من الأكسجين. توضح الصيغة الهيكلية عدد كل نوع من أنواع الذرة، والروابط بينهما. تمثل الخطوط المفردة رابطة كيميائية. على سبيل المثال ، بالنسبة لبيروكسيد الهيدروجين ، تبدو الصيغة الهيكلية كما يلي: H-O-O-H.
تصف الصيغ التي تحتوي على نقطة بين المركب والماء الهيدرات. الهيدرات هي مركبات كيميائية تحتوي على جزيئات ماء متصلة ، ولكنها ليست مرتبطة تساهميا. تفقد الهيدرات بسهولة جزيئات الماء عند التسخين وتصبح "لامائية،؟ أو ؟بدون ماء.؟ الهيدرات والمركبات اللامائية لها خصائص فيزيائية فريدة من نوعها, كما تنظم الجزيئات بشكل مختلف.?
الآن بعد أن تم شرح المبادئ الأساسية للصيغة التجريبية ، دعنا نؤكد الصيغة التجريبية لهيدرات كلوريد النحاس في المختبر.
لبدء الإجراء ، جفف البوتقة فوق 120؟ C لطرد أي رطوبة ممتصة ، وتحديد وزنها بدقة.
قم بوزن عينة من هيدرات كلوريد النحاس وضعها في البوتقة.
بعد ذلك ، قم بتسخين العينة في البوتقة باستخدام مصدر حرارة ، مثل موقد بنسن. ضع الغطاء على البوتقة للمساعدة في منع تناثر السمك ، لكن اتركه مفتوحا قليلا للسماح لبخار الماء بالخروج.
سخني العينة حتى تتغير من اللون الأزرق والأخضر إلى اللون الأحمر والبني. يدل هذا التغير في اللون على الشكل اللامائي لكلوريد النحاس. يقلب للتأكد من أن الماء قد تم إخراجه من العينة ، وأن اللون متناسق طوال الوقت.
بعد ذلك ، قم بتبريد العينة في مجفف لمنع الجفاف.
قياس كتلة العينة اللامائية بدقة. يتوافق الاختلاف مع مياه الترطيب التي فقدت عند التسخين.
انقل العينة المجففة إلى دورق سعة 250 مل ، وقم بإذابتها في 150 مل من الماء منزوع الأيونات. يجب أن يتحول المحلول إلى اللون الأزرق مرة أخرى ، حيث يتم إعادة ترطيب كلوريد النحاس.
أضف قطعة صغيرة من سلك الألمنيوم إلى الدورق سوف ينخفض النحاس الأزرق اثنين زائد إلى صفر نحاسي محمر على سطح السلك ، بينما يتأكسد الألمنيوم إلى ألومنيوم عديم اللون ثلاثة زائد. سوف يختفي اللون الأزرق للمحلول أثناء التفاعل.?
بعد حوالي 30 دقيقة ، استخدم ألومنيوم إضافي للتأكد من أن كل النحاس قد انخفض إلى معدن نحاسي صلب.
بعد ذلك ، أضف حوالي 10 مل من حمض الهيدروكلوريك 6 M لإذابة سلك الألمنيوم.
باستخدام قمع B?chner وورق الترشيح الوزن مسبقا ، قم بتصفية المحلول عديم اللون بالمكنسة الكهربائية. شطف العينة مع الإيثانول المطلق أو النقي. اترك العينة تجف في الهواء.
أخيرا ، قم بقياس كتلة المادة الصلبة النحاسية.
لتحديد الصيغة التجريبية لهيدرات كلوريد النحاس ، احسب أولا كتلة كل مكون. يتم تحديد كتلة الماء عن طريق طرح وزن كلوريد النحاس المجفف من وزن هيدرات كلوريد النحاس. تم العثور على كتلة النحاس تجريبيا. أخيرا ، يتم العثور على كتلة الكلوريد عن طريق طرح كتلة النحاس والماء من الكتلة الكلية للعينة.
لتحديد أصغر نسبة عدد صحيح للمكونات في المركب ، قم بتحويل كتلة كل مكون إلى مولات باستخدام الكتلة المولية. ثم اقسم كل مكون على أصغر عدد من المولات في العينة؟ (النحاس في هذه الحالة). تنتج أصغر نسبة عدد صحيح صيغة CuCl2?2H2O.
يعد تحديد ومعرفة الصيغة التجريبية للمركب أمرا مهما في العديد من مجالات الكيمياء والبحث.
كيمياء الطب الشرعي هي تطبيق الكيمياء في بيئة قانونية. على سبيل المثال ، غالبا ما توجد مركبات غير معروفة ، مثل المخدرات والسموم ، في مسرح الجريمة. يستخدم الكيميائيون الشرعيون مجموعة واسعة من الأساليب لتحديد المادة غير المعروفة.
في كثير من الأحيان ، تكون الخطوة التالية في تحديد مادة غير معروفة هي استخدام الصيغة التجريبية لتحديد الصيغة الجزيئية. كثيرا ما يستخدم مطياف الكتلة للمساعدة في هذه الخطوة ، حيث يفصل مطياف الكتلة المكونات حسب نسبة الكتلة إلى الشحنة. وبالتالي ، يمكن بعد ذلك استخدام كتلة الجزيء لتحديد الصيغة الجزيئية.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للصيغة التجريبية. يجب أن تفهم الآن ما هي الصيغة التجريبية للمادة ، وكيف تختلف عن الصيغة الجزيئية ، وكيفية تحديدها في المختبر.
شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the difference between empirical and molecular formulas?
The empirical formula shows the smallest whole-number ratio of elements in a compound, while the molecular formula represents the actual number of atoms of each type. For example, hydrogen peroxide has an empirical formula of H-O but a molecular formula of H2O2. Both formulas describe the same compound but at different levels of detail.
Q2: How does the law of conservation of mass apply to determining empirical formulas?
The law of conservation of mass states that mass cannot be created or destroyed in a chemical reaction. This principle allows chemists to use gravimetric analysis, tracking mass changes during reactions, to determine empirical formulas. By measuring the mass of each component before and after heating or reaction, the mass ratio of elements can be calculated accurately.
Q3: What are hydrates and how do they differ from anhydrous compounds?
Hydrates are chemical compounds with water molecules attached but not covalently bonded. When heated, hydrates lose their water and become anhydrous, or without water. Hydrates and anhydrous compounds have unique physical properties because their molecules organize differently, which is why copper chloride hydrate changes from blue-green to red-brown when heated.
Q4: What is a structural formula and how does it relate to other chemical formulas?
A structural formula shows the number of each type of atom and the bonds between them, using single lines to represent chemical bonds. Unlike the empirical formula, which shows only ratios, or the molecular formula, which shows actual atom counts, the structural formula reveals how atoms are connected. For hydrogen peroxide, the structural formula is H-O-O-H.
Q5: How do you calculate the empirical formula from experimental mass data?
Convert the mass of each component to moles using molar mass values. Then divide each mole value by the smallest number of moles in the sample. The resulting whole-number ratio is the empirical formula. For copper chloride hydrate, this process yields CuCl2·2H2O, indicating two moles of chloride and two moles of water per mole of copper.
Q6: Why is determining the empirical formula important in forensic chemistry?
Forensic chemists use empirical formulas to identify unknown substances like drugs and poisons found at crime scenes. Once the empirical formula is determined, a mass spectrometer can separate components by their mass-to-charge ratio to find the molecular mass. This information helps determine the molecular formula and identify the unknown substance.
Q7: What experimental steps are needed to determine the empirical formula of a copper chloride hydrate?
Dry the crucible, weigh the hydrate sample, heat until color changes from blue-green to red-brown, cool in a desiccator, and measure the anhydrous mass. Dissolve the sample, add aluminum to reduce copper ions to solid metal, filter and dry the copper. Measure all masses to calculate moles and determine the empirical formula using molar mass conversions.