경험적 공식 결정
출처: 닐 에이브람스 박사 연구소 - SUNY 환경 과학 및 임업 대학
화합물의 화학 공식을 결정하는 것은 화학자들이 매일 실험실에서 하는 일의 핵심입니다. 많은 도구가 이 결정에 도움이 될 수 있지만 가장 간단하고 가장 정확한 도구 중 하나는 경험적 공식의 결정입니다…
1. 수화물 탈수
- 구리 염화물 수화물 샘플을 정확하게 계량하여 미리 건조되고 타르드 도가니에 넣습니다. 도가니는 흡착 수분을 몰아120°C 이상으로 건조되는 것이 중요합니다. 일반적으로, 화합물의 1-2 g 충분 합니다.
- 분젠 버너 또는 기타 화염 원을 사용하여 시료를 가열하여 녹색 파란색에서 붉은 갈색으로 색이 바뀌도록합니다(그림 1). 이러한 색상 변화는 구리 염화물의 무수성 형태를 나타냅니다. 덮개는 튀는 것을 방지하기 위해 도가니에 머물 수 있지만 수증기가 탈출 할 수 있도록 약간 열어야합니다.
- 샘플전체를 저저어 서물이 전체 시료에서 벗어나색상이 상수인지 확인합니다.
- 대안으로, 샘플은 110 °C 이상의 건조 오븐에 배치 될 수있다.
- 건조기에서 샘플을 식힙니다. 이렇게 하면 물이 시료를 재수화하지 못하게 됩니다.
- 무수 시료의 질량을 측정합니다. 차이점은 가열 시 손실된 수화물의 물에 해당합니다.
그림 1. 세라믹 도가니분센 버너.
2. 구리 분리
- 샘플을 100mL 비커로 옮기고 시료를 50mL의 탈온수로 용해한다. 용액은 다시 한 번 파란색으로 바뀌어야 하며, 일반적으로 수화 된 솔리드보다 파란색이 더 많아야합니다.
- 소량(~0.20g)의 알루미늄 금속을 비커에 넣습니다. 이로 인해 구리가 붉은 금속으로 줄어들고 알루미늄은 무색 Al3+로산화됩니다. Cu2+ 이온이 Cu0을형성함에 따라 용액의 파란색이 사라져야 합니다. 30분 후, 모든 구리를 고체 구리로 줄일 수 있도록 작은 알루미늄 조각을 추가합니다.
- 이제 솔루션에는 Al3+ 이온, 고체 구리 및 소량의 고체 알루미늄이 포함되어 있습니다.
- 6M HCl의 ~5mL를 첨가하여 여분의 알루미늄을 용해하면 알루미늄이 암포성이므로 산이나 염기의 존재 시 반응하고 용해될 수 있습니다.
- 진공 필터는 사전 계량된 필터 용지를 포함하는 Büchner 깔때기에서 무색 용액을 필터링합니다. 절대 에탄올로 헹구는 다. 구리 (II) 산화물의 형성을 방지하기 위해 공기 건조 (오븐 건조하지 않음) 샘플.
- 구리 고체의 질량을 측정하여 염화물 이온의 질량을 차이로 결정합니다.
3. 계산
- 차이에 의해 염화물 이온의 질량을 결정:
- 화합물의 각 성분의 어금니 질량을 사용하여 각 성분의 두더지를 결정합니다.
- 각 성분의 두더지들을 가장 작은 성분의 두더지로 나누어 화합물의 경험적 공식이라고도 하는 구성요소의 가장 작은 전체 수 비율을 부여한다.
화합물의 화학식을 결정하는 것은 화학자 직업의 기본적인 측면입니다.
화학식에서 원소 기호와 숫자 첨자는 분자에 존재하는 원자의 유형과 수를 설명합니다. 경험식은 분자 화합물 내의 원소 중 가장 작은 정수 비율을 제공하는 간단한 유형의 화학식입니다. 질량 보존 법칙 때문에 경험적 공식은 종종 원소 조성 또는 질량 백분율을 사용하여 발견됩니다.
이 비디오는 경험적 공식을 소개하고 실험실에서 간단한 실험을 사용하여 계산하는 방법을 보여줍니다.
경험식은 주어진 화합물에서 각 원소의 상대적인 원자 수를 보여주기 때문에 가장 간단한 유형의 화학식입니다. 예를 들어, 과산화수소에는 산소 질량 16부당 수소 질량 1부가 있습니다. 따라서 모든 수소 원자에는 하나의 산소 원자가 있으며 경험식은 H-O입니다. 많은 다른 분자가 동일한 경험식을 가질 수 있습니다.
분자식은 경험식과 관련이 있으며 화합물에서 각 유형의 실제 원자 수를 나타냅니다. 예를 들어, 과산화수소의 분자식은 H2O2이며, 각 분자에는 두 개의 수소 원자와 두 개의 산소 원자가 있습니다. 구조식은 각 유형의 원자의 수와 이들 사이의 결합을 보여줍니다. 한 줄은 화학 결합을 나타냅니다. 예를 들어, 과산화수소의 경우 구조 공식은 H-O-O-H와 같습니다.
화합물과 물 사이에 점이 있는 공식은 수화물을 설명합니다. 수화물은 물 분자가 부착되어 있지만 공유 결합되지 않은 화합물입니다. 수화물은 가열할 때 물 분자를 쉽게 잃고 "무수"가 됩니다. 또는 "물 없이.? 수화물과 무수 화합물은 분자가 다르게 구성되기 때문에 고유한 물리적 특성을 가지고 있습니다.
이제 경험식의 기본 원리를 설명했으므로 실험실에서 염화구리 수화물의 경험식을 확인하겠습니다.
절차를 시작하려면 도가니를 120 이상으로 건조하십시오. C는 흡착된 수분을 제거하고 무게를 정확하게 측정합니다.
염화구리 수화물 샘플의 무게를 측정하고 도가니에 넣습니다.
다음으로, Bunsen 버너와 같은 열원을 사용하여 도가니의 샘플을 가열합니다. 도가니에 덮개를 씌워 튄 자국을 방지하되 수증기가 빠져나갈 수 있도록 약간 열어 두십시오.
샘플을 가열하십시오.amp청록색에서 적갈색으로 변할 때까지 le. 이 색상 변화는 염화구리의 무수 형태를 나타냅니다. 젓다?를 사용하여 샘플에서 물이 빠져나왔는지, 색상이 전체적으로 일정한지 확인합니다.
다음으로, 재수화를 방지하기 위해 데시케이터에서 샘플을 냉각합니다.
무수 샘플의 질량을 정확하게 측정합니다. 그 차이는 가열할 때 손실된 수화수에 해당합니다.
건조된 샘플을 250mL 비커에 옮기고 150mL 탈이온수에 용해시킵니다. 염화구리가 재수화됨에 따라 용액이 다시 파란색으로 변해야 합니다.
비커에 작은 알루미늄 와이어 조각을 추가합니다. 파란색 구리 2 플러스는 와이어 표면에서 적색 구리 0으로 감소하고 알루미늄은 무색 알루미늄 3 플러스로 산화됩니다. 용액의 파란색은 반응 중에 사라집니다.?
약 30분 후 추가 알루미늄을 사용하여 모든 구리가 단단한 구리 금속으로 감소했는지 확인합니다.
다음으로, 6M 염산 약 10mL를 첨가하여 알루미늄 와이어를 용해시킵니다.
B?chner 깔때기와 미리 계량된 여과지를 사용하여 무색 용액을 진공 여과합니다. 샘플을 절대 또는 순수 에탄올로 헹굽니다. 샘플을 자연 건조시킵니다.
마지막으로 구리 고체의 질량을 측정합니다.
염화구리 수화물의 경험식을 결정하려면 먼저 각 성분의 질량을 계산하십시오. 물의 질량은 염화구리 수화물의 무게에서 건조된 염화구리의 무게를 빼서 결정됩니다. 구리 덩어리는 실험적으로 발견되었습니다. 마지막으로, 염화물의 질량은 샘플의 총 질량에서 구리와 물의 질량을 빼서 구합니다.
화합물에서 성분의 가장 작은 정수비를 결정하려면 몰 질량을 사용하여 각 성분의 질량을 몰로 변환하십시오.? 그런 다음 각 구성 요소를 샘플에서 가장 작은 몰 수로 나눕니까? (이 경우 구리). 가장 작은 정수비는 CuCl2?2H2O의 공식을 산출합니다.
화합물의 경험식에 대한 결정과 지식은 화학 및 연구의 많은 분야에서 중요합니다.
법의학 화학은 법적 환경에서 화학을 적용하는 것입니다. 예를 들어, 마약이나 독극물과 같은 알려지지 않은 화합물이 범죄 현장에서 발견되는 경우가 많습니다. 법의학 화학자들은 알려지지 않은 물질을 식별하기 위해 다양한 방법을 사용합니다.
종종 미확인 물질을 식별하는 다음 단계는 경험식을 사용하여 분자 공식을 결정하는 것입니다. 질량 분석기는 이 단계를 돕기 위해 자주 사용되는데, 질량 분석기는 질량 대 전하 비율로 구성 요소를 분리하기 때문입니다. 따라서, 분자의 질량은 분자 공식을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.
당신은 방금 JoVE의 경험적 공식에 대한 소개를 보았습니다. 이제 물질의 경험식이 무엇인지, 분자식과 어떻게 다른지, 실험실에서 어떻게 결정하는지 이해해야 합니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
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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.