Het bepalen van de empirische formule
Bron: Laboratorium van Dr. Neal Abrams - SUNY College of Environmental Science and Forestry
Het bepalen van de chemische formule van een verbinding st…
1. Dehydrating the Hydrate
- Weeg nauwkeurig een monster van koperchloridehydraat af en plaats het in een voorgedroogde en gewogen smeltkroes. Het is belangrijk dat de smeltkroes boven de 120 °C wordt gedroogd om alle geadsorbeerde vocht te verdrijven. Typisch is 1–2 g van het materiaal voldoende.
- Verhit het monster met een Bunsenbrander of andere vlambron tot het van groenblauw naar roodbruin van kleur verandert (Figuur 1). Deze kleurverandering is kenmerkend voor de watervrije vorm van koperchloride. Het deksel kan op de smeltkroes blijven om spatten te voorkomen, maar moet iets worden geopend om waterdamp te laten ontsnappen.
- Roer het monster om er zeker van te zijn dat het water uit het hele monster is verdreven en de kleur constant is overal.
- Alternatief kan het monster in een droogkast boven de 110 °C worden geplaatst.
- Koel het monster af in een droogkast. Dit voorkomt dat water het monster opnieuw hydrateert.
- Meet de massa van het watervrije monster. Het verschil komt overeen met het water van het hydraat dat bij het verwarmen verloren is gegaan.
Figuur 1. Bunsenbrander met keramische smeltkroes.
2. Isoleren van Koper
- Breng het monster over naar een 100 mL beker en los het monster op in 50 mL gedeïoniseerd water. De oplossing moet weer blauw worden, typisch blauwer dan het gehydrateerde materiaal.
- Voeg een kleine hoeveelheid (~0.20 g) aluminiummetaal toe aan de beker. Dit zal ervoor zorgen dat het koper wordt gereduceerd tot een roodachtig metaal, en het aluminium zal oxideren tot kleurloze Al3+. De blauwe kleur van de oplossing moet verdwijnen terwijl de Cu2+ ionen Cu0 vormen. Na 30 min, voeg extra kleine stukjes aluminium toe om ervoor te zorgen dat al het koper is gereduceerd tot vast koper.
- De oplossing bevat nu Al3+ ionen, vast koper, en een kleine hoeveelheid vast aluminium.
- Los eventueel overtollig aluminium op door ~5 mL van 6 M HCl toe te voegen. Aluminium is amfoteer, wat betekent dat het kan reageren en oplossen in aanwezigheid van een zuur of een base.
- Vacuum filter de kleurloze oplossing in een Büchner trechter bevattende een vooraf gewogen stuk filterpapier. Spoel af met absolute ethanol. Laat het monster drogen in de lucht (niet in een oven) om de vorming van koper (II) oxide te voorkomen.
- Meet de massa van het vaste koper om de massa van het chloride ion te bepalen door verschil.
3. Berekeningen
- Bepaal de massa van het chloride ion door verschil:
- Gebruik de molaire massa van elk bestanddeel van het materiaal om de mol van elk bestanddeel te bepalen.
- Deel de mol van elk bestanddeel door de mol van het kleinste bestanddeel om de kleinste gehele verhouding van componenten te geven, ook bekend als de empirische formule van het materiaal.
Het bepalen van de chemische formule van een verbinding is een fundamenteel aspect van het beroep van een chemicus.
In een chemische formule beschrijven elementsymbolen en numerieke subscripts de soorten en het aantal atomen dat in een molecuul aanwezig is. De empirische formule is een eenvoudige vorm van chemische formule, die de kleinste gehele getallenverhouding tussen elementen binnen een moleculair verbinding biedt. Vanwege de wet van behoud van massa, wordt de empirische formule vaak gevonden met behulp van elementaire samenstelling of massapercentage.
Deze video zal de empirische formule introduceren en laten zien hoe deze kan worden berekend met behulp van een eenvoudig experiment in het laboratorium.
De empirische formule is het eenvoudigste type chemische formule, omdat het het relatieve aantal atomen van elk element in een bepaalde verbinding toont. Bijvoorbeeld, in waterstofperoxide is er één deel massa van waterstof voor elke 16 delen massa van zuurstof. Daarom is voor elke waterstofatoom er één zuurstofatoom, en de empirische formule is H-O. Veel verschillende moleculen kunnen dezelfde empirische formule hebben.
De molecuulformule is gerelateerd aan de empirische formule en vertegenwoordigt het werkelijke aantal atomen van elk type in een verbinding. Bijvoorbeeld, de molecuulformule van waterstofperoxide is H2O2, omdat elk molecuul twee waterstofatomen en twee zuurstofatomen heeft. Een structurele formule toont het aantal van elk type atoom en de bindingen ertussen. Enkele lijnen vertegenwoordigen een chemische binding. Bijvoorbeeld, voor waterstofperoxide ziet de structurele formule er zo uit: H-O-O-H.
Formules met een punt tussen de verbinding en water beschrijven hydraten. Hydraten zijn chemische verbindingen die watermoleculen hebben die eraan zijn bevestigd, maar niet covalent gebonden. Hydraten verliezen gemakkelijk hun watermoleculen bij verhitting en worden 'anhydrous' of 'zonder water'. Hydraten en anhydrose verbindingen hebben unieke fysische eigenschappen, omdat de moleculen zich anders organiseren.
Nu de basisprincipes van de empirische formule zijn uitgelegd, laten we de empirische formule van een koperchloridehydraat bevestigen in het laboratorium.
Om de procedure te beginnen, droogt u de smeltkroes boven 120 °C om alle geadsorbeerde vocht te verwijderen en bepaal nauwkeurig het gewicht.
Weeg een monster van een koperchloridehydraat en plaats het in de smeltkroes.
Verwarm vervolgens het monster in de smeltkroes met behulp van een warmtebron, zoals een Bunsen-brander. Plaats het deksel op de smeltkroes om spetteren te voorkomen, maar houd het lichtjes open om waterdamp te laten ontsnappen.
Verwarm het monster totdat het is veranderd van een blauwgroene kleur naar een roodbruine kleur. Deze kleurverandering is kenmerkend voor de anhydrose vorm van koperchloride. Roer om ervoor te zorgen dat het water van het monster is verdreven en de kleur consistent is overal.
Koel vervolgens het monster in een exsiccator om herhydratatie te voorkomen.
Meet nauwkeurig de massa van het anhydrose monster. Het verschil komt overeen met de hydratatiewaters die bij het verwarmen zijn verloren.
Breng het gedroogde monster over in een 250 mL beker en los het op in 150 mL gedeïoniseerd water. De oplossing moet weer blauw worden, omdat het koperchloride wordt herhydrateerd.
Voeg een klein stukje aluminiumdraad toe aan de beker. Het blauwe koper twee plus wordt gereduceerd tot een roodachtig koper nul op het oppervlak van de draad, terwijl het aluminium oxideert tot kleurloos aluminium drie plus. De blauwe kleur van de oplossing zal tijdens de reactie verdwijnen.
Na ongeveer 30 minuten, gebruik extra aluminium om ervoor te zorgen dat al het koper is gereduceerd tot een vast kopermetaal.
Voeg vervolgens ongeveer 10 mL 6 M zoutzuur toe om de aluminiumdraad op te lossen.
Gebruik een Büchner-trechter en vooraf gewogen filterpapier om de kleurloze oplossing te vacuümfiltreren. Spoel het monster met absoluut of zuiver ethanol. Laat het monster aan de lucht drogen.
Ten slotte meet u de massa van het kopervast.
Om de empirische formule van koperchloridehydraat te bepalen, berekent u eerst de massa van elk component. De massa van water wordt bepaald door het gewicht van het gedroogde koperchloride af te trekken van het gewicht van het koperchloridehydraat. De massa van koper werd experimenteel gevonden. Ten slotte wordt de massa van chloride gevonden door de massa van koper en water af te trekken van de totale massa van het monster.
Om de kleinste gehele getallenverhouding van componenten in de verbinding te bepalen, converteert u de massa van elk component naar mol met behulp van de molmassa. Deel vervolgens elk component door het kleinste aantal mol in het monster (koper in dit geval). De kleinste gehele getallenverhouding levert de formule van CuCl2 2H2O op.
De bepaling en kennis van de empirische formule van een verbinding is belangrijk in veel gebieden van de chemie en onderzoek.
Forensische chemie is de toepassing van chemie in een juridische omgeving. Bijvoorbeeld, onbekende verbindingen, zoals drugs en vergiften, worden vaak aangetroffen op misdaadplekken. Forensische chemici gebruiken een breed scala aan methoden om de onbekende substantie te identificeren.
Vaak is de volgende stap in het identificeren van een onbekende substantie om de empirische formule te gebruiken om de molecuulformule te bepalen. Een massaspectrometer wordt vaak gebruikt om deze stap te ondersteunen, omdat de massaspectrometer componenten scheidt op basis van hun massa-ladingsverhouding. Zo kan de massa van het molecuul vervolgens worden gebruikt om de molecuulformule te bepalen.
Je hebt zojuist de introductie van JoVE tot de empirische formule bekeken. Je zou nu moeten begrijpen wat de empirische formule van een substantie is, hoe deze verschilt van de molecuulformule en hoe je deze in het laboratorium kunt bepalen.
Bedankt voor het bekijken!
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.