קביעת הנוסחה האמפירית
מקור: המעבדה של ד"ר ניל אברמס - מכללת SUNY למדעי הסביבה ויערנות
קביעת הנוסחה הכימית של תרכובת היא בלב מה כימאים עושים במעבדה כל יום. כלים רבים זמינים…
1. מייבש את הידרציה
- שוקלים במדויק דגימה של לחות כלוריד נחושת ומניחים אותו לתוך כור היתוך מיובש מראש מזופת. חשוב כי כור ההיתוך מיובש מעל 120 °C (70 °F) כדי לגרש כל לחות ספיחה. בדרך כלל, 1-2 גרם של תרכובת יספיק.
- מחממים את המדגם באמצעות מבער בונזן או מקור להבה אחר עד שהוא משנה צבע מכחול ירקרק לחום אדמדם(איור 1). שינוי צבע זה מעיד על הצורה נטולת התייבשות של כלוריד נחושת. הכיסוי יכול להישאר על כור ההיתוך כדי למנוע התזה, אבל צריך להיפתח מעט כדי לאפשר אדי מים לברוח.
- מערבבים את המדגם כדי להיות בטוחים שהמים מונעים מהדגימה כולה והצבע קבוע לאורך כל הדרך.
- כחלופה, ניתן להכניס את הדגימה לתנור ייבוש מעל 110 מעלות צלזיוס.
- מצננים את הדגימה במתן. זה מונע מים rehydrating המדגם.
- למדוד את המסה של מדגם נטול מים. ההבדל מתאים למים מן הידרציה שאבדה עם חימום.
איור 1. מבער בונזן עם כור היתוך קרמי.
2. בידוד נחושת
- מעבירים את הדגימה ל-100 מ"ל וממיסים את המדגם ב-50 מ"ל של מים דה-יוניים. הפתרון צריך להפוך כחול שוב, בדרך כלל יותר כחול מאשר מוצק hydrated.
- הוסף כמות קטנה (~ 0.20 גרם) של מתכת אלומיניום לכלוב. זה יגרום הנחושת להפחית מתכת אדמדמה, ואת האלומיניום יהיה חמצון אל3 +חסר צבע . הצבע הכחול של הפתרון צריך להיעלם כמו Cu2 + יונים טופס Cu0. לאחר 30 דקות, להוסיף חתיכות קטנות נוספות של אלומיניום כדי להבטיח את כל הנחושת מופחת נחושת מוצקה.
- הפתרון מכיל כעת אל3+ יונים, נחושת מוצקה וכמות קטנה של אלומיניום מוצק.
- להמיס כל עודף אלומיניום על ידי הוספת ~ 5 מ"ל של 6 M HCl. אלומיניום הוא amphoteric, כלומר זה יכול להגיב ולהתמוסס בנוכחות חומצה או בסיס.
- מסננים ואקום את הפתרון חסר הצבע במשפך Büchner המכיל פיסת נייר סינון ששוקלת מראש. יש לשטוף באתנול מוחלט. יבש אוויר (לא תנור יבש) המדגם כדי למנוע היווצרות של תחמוצת נחושת (II).
- למדוד את המסה של מוצק נחושת כדי לקבוע את המסה של יון כלוריד על ידי הבדל.
3. חישובים
- קבע את המסה של יון הכלוריד לפי הבדל:
- השתמש במסה הטוחנת של כל רכיב של המתחם כדי לקבוע את המולים של כל רכיב.
- חלק את השומות של כל רכיב על ידי מולות של הרכיב הקטן ביותר כדי לתת את יחס המספר השלם הקטן ביותר של רכיבים, הידוע גם בשם הנוסחה האמפירית של המתחם.
קביעת הנוסחה הכימית של תרכובת היא היבט בסיסי בעיסוקו של כימאי.
בנוסחה כימית, סמלי יסודות ותחתונים מספריים מתארים את סוגי ומספר האטומים הקיימים במולקולה. הנוסחה האמפירית היא סוג פשוט של נוסחה כימית, המספקת את היחס הקטן ביותר בין יסודות בתוך תרכובת מולקולרית. בגלל חוק שימור המסה, הנוסחה האמפירית נמצאת לעתים קרובות באמצעות הרכב יסודות או אחוז מסה.
סרטון זה יציג את הנוסחה האמפירית וידגים כיצד ניתן לחשב אותה באמצעות ניסוי פשוט במעבדה.
הנוסחה האמפירית היא הסוג הפשוט ביותר של נוסחה כימית, מכיוון שהיא מציגה את המספר היחסי של אטומים של כל יסוד בתרכובת נתונה. לדוגמה, במי חמצן, יש חלק אחד לפי מסה של מימן לכל 16 חלקים לפי מסת חמצן. לכן לכל אטום מימן יש אטום חמצן אחד, והנוסחה האמפירית היא H-O. למולקולות רבות ושונות עשויה להיות אותה נוסחה אמפירית.
הנוסחה המולקולרית קשורה לנוסחה האמפירית, ומייצגת את המספר האמיתי של אטומים מכל סוג בתרכובת. לדוגמה, הנוסחה המולקולרית של מי חמצן היא H2O2, מכיוון שלכל מולקולה יש שני אטומי מימן ושני אטומי חמצן. נוסחה מבנית מציגה את המספר של כל סוג של אטום, ואת הקשרים ביניהם. קווים בודדים מייצגים קשר כימי. לדוגמה, עבור מי חמצן הנוסחה המבנית נראית כך: H-O-O-H.
פורמולות עם נקודה בין התרכובת למים מתארות לחות. הידרטים הם תרכובות כימיות שיש להן מולקולות מים מחוברות, אך אינן קשורות קוולנטית. הידרטים מאבדים בקלות את מולקולות המים שלהם עם החימום והופכים ל"נטולי מים". או "בלי מים". לתרכובות הידרטיות ונטולות מים יש תכונות פיזיקליות ייחודיות, מכיוון שהמולקולות מתארגנות בצורה שונה.?
כעת, לאחר שהוסברו העקרונות הבסיסיים של הנוסחה האמפירית, בואו נאשר את הנוסחה האמפירית של הידרט נחושת כלוריד במעבדה.
כדי להתחיל בהליך, יבש את כור ההיתוך מעל 120 ? C כדי לגרש כל לחות נספגת, ולקבוע במדויק את משקלו.
שקלו דגימה של הידרט נחושת כלוריד, והניחו אותה בכור ההיתוך.
לאחר מכן, מחממים את הדגימה בכור ההיתוך באמצעות מקור חום, כגון מבער בונסן. הנח את המכסה על כור ההיתוך כדי לסייע במניעת התזות, אך שמור אותו פתוח מעט כדי לאפשר לאדי מים לברוח.
מחממים את הדגימה עד שהיא משתנה מצבע כחול-ירוק לצבע אדום-חום. שינוי צבע זה מעיד על הצורה הנטולת מים של כלוריד נחושת. מערבבים?כדי לוודא שהמים הוסעו מהדגימה, והצבע עקבי לאורך כל הדרך.
לאחר מכן, יש לקרר את הדגימה בחומר ייבוש, כדי למנוע התייבשות.
מדוד במדויק את המסה של הדגימה נטולת המים. ההבדל תואם את מי ההידרציה שאבדו עם החימום.
מעבירים את הדגימה המיובשת לכוס של 250 מ"ל, וממיסים אותה במים נטולי יונים של 150 מ"ל. התמיסה אמורה להפוך שוב לכחולה, כאשר כלוריד הנחושת מיובש.
הוסף חתיכה קטנה של חוט אלומיניום לכוס. הנחושת הכחולה שתיים פלוס תצטמצם לאפס נחושת אדמדם על פני החוט, ואילו האלומיניום יתחמצן לאלומיניום חסר צבע שלוש פלוס. הצבע הכחול של התמיסה ייעלם במהלך התגובה.?
לאחר כ-30 דקות, השתמש באלומיניום נוסף כדי להבטיח שכל הנחושת הצטמצמה למתכת נחושת מוצקה.
לאחר מכן, הוסף כ -10 מ"ל של חומצה הידרוכלורית 6 M כדי להמיס את חוט האלומיניום.
בעזרת משפך B?chner ונייר סינון שקול מראש, מסננים בוואקום את התמיסה חסרת הצבע. שוטפים את הדגימה באתנול מוחלט או טהור. הניחו לדגימה להתייבש באוויר.
לבסוף, מדוד את מסת מוצק הנחושת.
כדי לקבוע את הנוסחה האמפירית של הידרט כלוריד נחושת, חשב תחילה את המסה של כל רכיב. מסת המים נקבעת על ידי הפחתת משקל כלוריד הנחושת המיובש ממשקל הידרט כלוריד הנחושת. מסת הנחושת נמצאה בניסוי. לבסוף, מסת הכלוריד נמצאת על ידי הפחתת מסת הנחושת והמים מהמסה הכוללת של הדגימה.
כדי לקבוע את היחס הקטן ביותר של רכיבים בתרכובת, המר את המסה של כל רכיב לשומות באמצעות המסה המולארית.? ואז לחלק כל רכיב במספר השומות הקטן ביותר במדגם? (נחושת במקרה זה). יחס המספרים השלמים הקטן ביותר מניב את הנוסחה של CuCl2?2H2O.
הקביעה והידע של הנוסחה האמפירית של תרכובת חשובים בתחומים רבים של כימיה ומחקר.
כימיה משפטית היא יישום הכימיה במסגרת משפטית. לדוגמה, תרכובות לא ידועות, כגון סמים ורעלים, נמצאות לעתים קרובות בזירות פשע. כימאים משפטיים משתמשים במגוון רחב של שיטות כדי לזהות את החומר הלא ידוע.
לעתים קרובות, השלב הבא בזיהוי חומר לא ידוע הוא שימוש בנוסחה האמפירית כדי לקבוע את הנוסחה המולקולרית. ספקטרומטר מסה משמש לעתים קרובות כדי לסייע בשלב זה, מכיוון שספקטרומטר המסה מפריד בין רכיבים לפי יחס המסה למטען שלהם. לפיכך, ניתן להשתמש במסת המולקולה כדי לקבוע את הנוסחה המולקולרית.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לנוסחה האמפירית. כעת עליכם להבין מהי הנוסחה האמפירית של חומר, במה היא שונה מהנוסחה המולקולרית וכיצד לקבוע אותה במעבדה.
תודה שצפית!
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.