Determinación de la fórmula empírica
Fuente: Laboratorio de Dr. Neal Abrams - SUNY College de silvicultura y ciencias ambientales
Determinar la fórmula química de un compuesto está en el…
1. deshidratación de la hidratación
- Exactamente pesar una muestra de hidrato del cloruro de cobre y lo coloca en un crisol previamente secado y tarado. Es importante que el crisol se seca por encima de 120 ° C para eliminar cualquier humedad adsorbida. Por lo general, basta 1-2 g de compuesto.
- Calentar la muestra utilizando un mechero Bunsen u otra fuente de llama hasta que cambia de color de azul verdoso a un marrón rojizo (figura 1). Este cambio de color es indicativo de la forma anhidra de cloruro de cobre. La cubierta puede permanecer en el crisol para evitar salpicaduras, pero debe abrirse un poco para permitir que el vapor de agua a escapar.
- Agite la muestra para asegurar que el agua es eliminado de toda la muestra y el color es constante a lo largo.
- Como alternativa, puede colocar la muestra en un horno de secado por encima de 110 ° C.
- Enfriar la muestra en un desecador. Esto evita que el agua de rehidratar la muestra.
- Medir la masa de la muestra anhidra. La diferencia corresponde al agua de la hidratación que se perdió al calentarse.
Figura 1. Mechero de Bunsen con crisol.
2. aislamiento de cobre
- Transferir la muestra a un vaso de precipitados de 100 mL y disolver la muestra en 50 mL de agua desionizada. La solución debe resultar azul una vez más, por lo general más azul que el sólido hidratado.
- Añadir una pequeña cantidad (~0.20 g) de metal de aluminio en el vaso. Esto hará que el cobre reducir a un metal de color rojizo, y el aluminio se oxida a incoloro Al3 +. El color azul de la solución debería desaparecer como la forma de los iones de Cu2 + Cu0. Después de 30 min, añadir más piezas pequeñas de aluminio para asegurar todo el cobre se reduce a cobre sólido.
- La solución ahora contiene Al3 + iones cobre sólido y una pequeña cantidad de aluminio sólido.
- Disolver cualquier exceso aluminio agregando ~ 5 mL de 6 M HCl. aluminio es anfótero, lo que significa que puede reaccionar y se disuelven en presencia de un ácido o una base.
- Filtro de vacío la solución descolorida en un embudo de Büchner, que contiene una pieza previamente pesada de papel de filtro. Enjuagar con etanol absoluto. Aire seco (no horno seco) la muestra para evitar la formación de óxido de cobre (II).
- Medir la masa del cobre sólido para determinar la masa del ion cloruro por diferencia.
3. cálculos
- Determinar la masa del ion cloruro por diferencia:
- Utilice la masa molar de cada componente del compuesto para determinar los moles de cada componente.
- Dividir los moles de cada componente de los topos del componente más pequeño para dar la proporción de número entero más pequeño de componentes, también conocida como la fórmula empírica del compuesto.
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Determinar la fórmula química de un compuesto es un aspecto fundamental de la profesión de un químico.
En una fórmula química, los símbolos de los elementos y los subíndices numéricos describen los tipos y el número de átomos presentes en una molécula. La fórmula empírica es un tipo simple de fórmula química, que proporciona la proporción de números enteros más pequeña entre los elementos dentro de un compuesto molecular. Debido a la ley de conservación de la masa, la fórmula empírica se encuentra a menudo utilizando la composición elemental o el porcentaje de masa.
Este video presentará la fórmula empírica y demostrará cómo se puede calcular usando un simple experimento en el laboratorio.
La fórmula empírica es el tipo más simple de fórmula química, ya que muestra el número relativo de átomos de cada elemento en un compuesto dado. Por ejemplo, en el peróxido de hidrógeno, hay una parte en masa de hidrógeno por cada 16 partes en masa de oxígeno. Por lo tanto, por cada átomo de hidrógeno, hay un átomo de oxígeno, y la fórmula empírica es H-O. Muchas moléculas diferentes pueden tener la misma fórmula empírica.
La fórmula molecular está relacionada con la fórmula empírica y representa el número real de átomos de cada tipo en un compuesto. Por ejemplo, la fórmula molecular del peróxido de hidrógeno es H2O2, ya que cada molécula tiene dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno. Una fórmula estructural muestra el número de cada tipo de átomo y los enlaces entre ellos. Las líneas simples representan un enlace químico. Por ejemplo, para el peróxido de hidrógeno, la fórmula estructural se ve así: H-O-O-H.
Las fórmulas con un punto entre el compuesto y el agua describen los hidratos. Los hidratos son compuestos químicos que tienen moléculas de agua unidas, pero no unidas covalentemente. Los hidratos pierden fácilmente sus moléculas de agua al calentarse y se vuelven "anhidros". o ?sin agua.? Los hidratos y los compuestos anhidros tienen propiedades físicas únicas, ya que las moléculas se organizan de manera diferente.
Ahora que se han explicado los principios básicos de la fórmula empírica, confirmemos la fórmula empírica de un hidrato de cloruro de cobre en el laboratorio.
Para comenzar el procedimiento, seque el crisol por encima de 120 ? C para eliminar la humedad adsorbida y determinar con precisión su peso.
Pesa una muestra de un hidrato de cloruro de cobre y colócala en el crisol.
A continuación, caliente la muestra en el crisol utilizando una fuente de calor, como un mechero Bunsen. Coloque la tapa en el crisol para ayudar a evitar salpicaduras, pero manténgala ligeramente abierta para permitir que escape el vapor de agua.
Caliente la muestra hasta que haya cambiado de un color azul verdoso a un color marrón rojizo. Este cambio de color es indicativo de la forma anhidra del cloruro de cobre. Revuelva para asegurarse de que el agua se haya eliminado de la muestra y que el color sea consistente en todas partes.
A continuación, enfríe la muestra en un desecador, para evitar la rehidratación.
Mida con precisión la masa de la muestra anhidra. La diferencia corresponde a las aguas de hidratación que se perdían al calentarse.
Transfiera la muestra seca a un vaso de precipitados de 250 ml y disuélvala en 150 ml de agua desionizada. La solución debería volver a ponerse azul, ya que el cloruro de cobre se rehidrata.
Agregue un pequeño trozo de alambre de aluminio al vaso de precipitados. El cobre azul dos plus se reducirá a un cero de cobre rojizo en la superficie del cable, mientras que el aluminio se oxidará a aluminio incoloro tres plus. El color azul de la solución desaparecerá durante la reacción.
Después de unos 30 minutos, use aluminio adicional para asegurarse de que todo el cobre se haya reducido a un metal de cobre sólido.
A continuación, agregue aproximadamente 10 mL de ácido clorhídrico 6 M para disolver el alambre de aluminio.
Usando un embudo Büchner y papel de filtro previamente pesado, filtre al vacío la solución incolora. Enjuague la muestra con etanol absoluto o puro. Deje que la muestra se seque al aire.
Finalmente, mida la masa del sólido de cobre.
Para determinar la fórmula empírica del hidrato de cloruro de cobre, primero calcule la masa de cada componente. La masa de agua se determina restando el peso del cloruro de cobre seco del peso del hidrato de cloruro de cobre. La masa de cobre se encontró experimentalmente. Finalmente, la masa de cloruro se encuentra restando la masa de cobre y agua de la masa total de la muestra.
Para determinar la proporción de números enteros más pequeña de los componentes en el compuesto, convierta la masa de cada componente a moles usando la masa molar. A continuación, divida cada componente por el número más pequeño de moles en la muestra. (cobre en este caso). La relación de números enteros más pequeña produce la fórmula de CuCl2?2H2O.
La determinación y el conocimiento de la fórmula empírica de un compuesto es importante en muchas áreas de la química y la investigación.
La química forense es la aplicación de la química en un entorno legal. Por ejemplo, compuestos desconocidos, como drogas y venenos, se encuentran a menudo en las escenas del crimen. Los químicos forenses utilizan una amplia gama de métodos para identificar la sustancia desconocida.
A menudo, el siguiente paso para identificar una sustancia desconocida es utilizar la fórmula empírica para determinar la fórmula molecular. Un espectrómetro de masas se usa con frecuencia para ayudar en este paso, ya que el espectrómetro de masas separa los componentes por su relación masa-carga. Por lo tanto, la masa de la molécula se puede utilizar para determinar la fórmula molecular.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la fórmula empírica. Ahora debes entender qué es la fórmula empírica de una sustancia, en qué se diferencia de la fórmula molecular y cómo determinarla en el laboratorio.
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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.