Determinazione della formula empirica (minima)
Fonte: Laboratorio del Dr. Neal Abrams - SUNY College of Environmental Science and Forestry
Determinare la formula chimica di un composto è al centro…
1. Disidratare l'idrato
- Pesare accuratamente un campione di cloruro di rame idrato e metterlo in un crogiolo pre-essiccato e catramato. È importante che il crogiolo venga essiccato al di sopra di 120 °C per allontanare l'umidità adsorbita. In genere, 1-2 g di composto saranno sufficienti.
- Riscaldare il campione utilizzando un bruciatore Bunsen o un'altra fonte di fiamma fino a quando non cambia colore da blu-verdastro a bruno-rossastro (Figura 1). Questo cambiamento di colore è indicativo della forma anidra del cloruro di rame. Il coperchio può rimanere sul crogiolo per evitare schizzi, ma deve essere aperto leggermente per consentire al vapore acqueo di fuoriuscire.
- Mescolare il campione per assicurarsi che l'acqua venga espulsa dall'intero campione e che il colore sia costante in tutto.
- In alternativa, il campione può essere posto in un forno di essiccazione a temperatura superiore a 110 °C.
- Raffreddare il campione in un essiccatore. Ciò impedisce all'acqua di reidratare il campione.
- Misurare la massa del campione anidro. La differenza corrisponde all'acqua dell'idrato che è stato perso durante il riscaldamento.
Figura 1. Bruciatore Bunsen con crogiolo in ceramica.
2. Isolamento del rame
- Trasferire il campione in un becher da 100 mL e sciogliere il campione in 50 mL di acqua deionizzata. La soluzione dovrebbe diventare di nuovo blu, in genere più blu del solido idratato.
- Aggiungere una piccola quantità (~ 0,20 g) di metallo alluminio al becher. Ciò farà sì che il rame si riduca a un metallo rossastro e l'alluminio si ossiderà in Al3+ incolore. Il colore blu della soluzione dovrebbe scomparire poiché gli ioni Cu2+ formano Cu0. Dopo 30 minuti, aggiungere altri piccoli pezzi di alluminio per garantire che tutto il rame sia ridotto a rame solido.
- La soluzione ora contiene ioni Al3+, rame solido e una piccola quantità di alluminio solido.
- Sciogliere l'alluminio in eccesso aggiungendo ~ 5 mL di 6 M HCl. L'alluminio è anfotero, il che significa che può reagire e dissolversi in presenza di un acido o di una base.
- Filtrare sottovuoto la soluzione incolore in un imbuto Büchner contenente un pezzo di carta da filtro pre-pesato. Risciacquare con etanolo assoluto. Asciugare all'aria (non a secco il forno) il campione per prevenire la formazione di ossido di rame (II).
- Misurare la massa del solido di rame per determinare la massa dello ione cloruro per differenza.
3. Calcoli
- Determinare la massa dello ione cloruro per differenza:
- Utilizzare la massa molare di ciascun componente del composto per determinare le moli di ciascun componente.
- Dividere le moli di ciascun componente per le moli del componente più piccolo per dare il più piccolo rapporto di numeri interi di componenti, noto anche come formula empirica del composto.
Determinare la formula chimica di un composto è un aspetto fondamentale della professione di chimico.
In una formula chimica, i simboli degli elementi e i pedici numerici descrivono i tipi e il numero di atomi presenti in una molecola. La formula empirica è un semplice tipo di formula chimica, che fornisce il più piccolo rapporto di numeri interi tra gli elementi all'interno di un composto molecolare. A causa della legge di conservazione della massa, la formula empirica si trova spesso utilizzando la composizione elementare o la percentuale di massa.
Questo video introdurrà la formula empirica e dimostrerà come può essere calcolata utilizzando un semplice esperimento in laboratorio.
La formula empirica è il tipo più semplice di formula chimica, in quanto mostra il numero relativo di atomi di ciascun elemento in un dato composto. Ad esempio, nel perossido di idrogeno, c'è una parte in massa di idrogeno per ogni 16 parti in massa di ossigeno. Quindi per ogni atomo di idrogeno, c'è un atomo di ossigeno, e la formula empirica è H-O. Molte molecole diverse possono avere la stessa formula empirica.
La formula molecolare è correlata alla formula empirica e rappresenta il numero effettivo di atomi di ciascun tipo in un composto. Ad esempio, la formula molecolare del perossido di idrogeno è H2O2, poiché ogni molecola ha due atomi di idrogeno e due atomi di ossigeno. Una formula strutturale mostra il numero di ciascun tipo di atomo e i legami tra di loro. Le singole linee rappresentano un legame chimico. Ad esempio, per il perossido di idrogeno la formula strutturale è simile a questa: H-O-O-H.
Le formule con un punto tra il composto e l'acqua descrivono gli idrati. Gli idrati sono composti chimici che hanno molecole d'acqua attaccate, ma non legate in modo covalente. Gli idrati perdono facilmente le loro molecole d'acqua durante il riscaldamento e diventano "anidri", ? o "senza acqua". Gli idrati e i composti anidri hanno proprietà fisiche uniche, poiché le molecole si organizzano in modo diverso.
Ora che i principi di base della formula empirica sono stati spiegati, confermiamo la formula empirica di un cloruro di rame idrato in laboratorio.
Per iniziare la procedura, asciugare il crogiolo oltre i 120 ? C per espellere l'umidità adsorbita e determinarne con precisione il peso.
Pesare un campione di un idrato di cloruro di rame e metterlo nel crogiolo.
Quindi, riscaldare il campione nel crogiolo utilizzando una fonte di calore, come un bruciatore Bunsen. Posiziona il coperchio sul crogiolo per evitare schizzi, ma tienilo leggermente aperto per consentire la fuoriuscita del vapore acqueo.
Riscaldare il campione fino a quando non è passato da un colore blu-verde a un colore rosso-marrone. Questo cambiamento di colore è indicativo della forma anidra del cloruro di rame. Mescolare?per assicurarsi che l'acqua sia stata espulsa dal campione e che il colore sia uniforme in tutto.
Quindi, raffreddare il campione in un essiccatore, per evitare la reidratazione.
Misurare con precisione la massa del campione anidro. La differenza corrisponde alle acque di idratazione che sono state perse con il riscaldamento.
Trasferire il campione essiccato in un becher da 250 ml e scioglierlo in 150 ml di acqua deionizzata. La soluzione dovrebbe diventare di nuovo blu, man mano che il cloruro di rame viene reidratato.
Aggiungere un pezzettino di filo di alluminio al bicchiere. Il rame blu two plus si ridurrà a uno zero di rame rossastro sulla superficie del filo, mentre l'alluminio si ossiderà in alluminio incolore three plus. Il colore blu della soluzione scomparirà durante la reazione.
Dopo circa 30 minuti, utilizzare altro alluminio per assicurarsi che tutto il rame si sia ridotto a un metallo di rame solido.
Quindi, aggiungere circa 10 ml di acido cloridrico 6 M per sciogliere il filo di alluminio.
Utilizzando un imbuto Büchner e carta da filtro pre-pesata, filtrare sottovuoto la soluzione incolore. Sciacquare il campione con etanolo assoluto o puro. Lasciare asciugare il campione all'aria.
Infine, misura la massa del solido di rame.
Per determinare la formula empirica dell'idrato di cloruro di rame, calcolare prima la massa di ciascun componente. La massa d'acqua viene determinata sottraendo il peso del cloruro di rame essiccato dal peso dell'idrato di cloruro di rame. La massa di rame è stata trovata sperimentalmente. Infine, la massa di cloruro si trova sottraendo la massa di rame e acqua dalla massa totale del campione.
Per determinare il più piccolo rapporto di numeri interi dei componenti nel composto, convertire la massa di ciascun componente in moli utilizzando la massa molare. Quindi dividere ogni componente per il minor numero di moli nel campione? (rame in questo caso). Il più piccolo rapporto di numeri interi produce la formula di CuCl2?2H2O.
La determinazione e la conoscenza della formula empirica di un composto è importante in molti settori della chimica e della ricerca.
La chimica forense è l'applicazione della chimica in un contesto legale. Ad esempio, composti sconosciuti, come droghe e veleni, si trovano spesso sulle scene del crimine. I chimici forensi utilizzano un'ampia gamma di metodi per identificare la sostanza sconosciuta.
Spesso, il passo successivo nell'identificazione di una sostanza sconosciuta consiste nell'utilizzare la formula empirica per determinare la formula molecolare. Uno spettrometro di massa viene spesso utilizzato per aiutare in questa fase, poiché lo spettrometro di massa separa i componenti in base al loro rapporto massa/carica. Pertanto, la massa della molecola può essere utilizzata per determinare la formula molecolare.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla formula empirica. Dovresti ora capire qual è la formula empirica di una sostanza, come si differenzia dalla formula molecolare e come determinarla in laboratorio.
Grazie per l'attenzione!
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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.