Wyznaczanie wzoru empirycznego
Źródło: Laboratorium dr Neala Abramsa - SUNY College of Environmental Science and Forestry
Określenie wzoru chemicznego związku jest sercem tego, co c…
1. Odwodnienie hydratu
- Dokładnie zważyć próbkę wodzianu chlorku miedzi i umieścić ją we wstępnie wysuszonym i wytarowanym tyglu. Ważne jest, aby tygiel był suszony w temperaturze powyżej 120 °C w celu usunięcia zaadsorbowanej wilgoci. Zazwyczaj wystarczy 1-2 g związku.
- Podgrzej próbkę za pomocą palnika Bunsena lub innego źródła płomienia, aż zmieni kolor z zielonkawo-niebieskiego na czerwono-brązowy (rysunek 1). Ta zmiana koloru wskazuje na bezwodną formę chlorku miedzi. Pokrywka może pozostać na tyglu, aby zapobiec rozpryskiwaniu, ale powinna być lekko uchylona, aby umożliwić ucieczkę pary wodnej.
- Wymieszaj próbkę, aby upewnić się, że woda została odprowadzona z całej próbki, a kolor jest stały przez cały czas.
- Alternatywnie próbkę można umieścić w piecu suszącym o temperaturze powyżej 110 °C.
- Schłodzić próbkę w eksykatorze. Zapobiega to ponownemu nawodnieniu próbki przez wodę.
- Zmierzyć masę próbki bezwodnej. Różnica odpowiada wodzie z hydratu, która została utracona podczas podgrzewania.
Rysunek 1. Palnik Bunsena z tyglem ceramicznym.
2. Miedź izolująca
- Przenieść próbkę do zlewki o pojemności 100 ml i rozpuścić próbkę w 50 ml wody dejonizowanej. Roztwór powinien ponownie zmienić kolor na niebieski, zazwyczaj bardziej niebieski niż uwodnione ciało stałe.
- Dodaj niewielką ilość (~0,20 g) metalu aluminiowego do zlewki. Spowoduje to, że miedź zmniejszy się do czerwonawego metalu, a aluminium utleni się do bezbarwnego Al3+. Niebieski kolor roztworu powinien zniknąć, gdy jony Cu2+ utworzą Cu0. Po 30 minutach dodaj dodatkowe małe kawałki aluminium, aby upewnić się, że cała miedź zostanie zredukowana do stałej miedzi.
- Roztwór zawiera teraz jony Al3+, stałą miedź i niewielką ilość stałego aluminium.
- Rozpuść nadmiar aluminium, dodając ~5 ml 6 M HCl. Aluminium jest amfoteryczne, co oznacza, że może reagować i rozpuszczać się w obecności kwasu lub zasady.
- Przefiltrować próżniowo bezbarwny roztwór w lejku Büchnera zawierającym wstępnie zważony kawałek bibuły filtracyjnej. Spłucz absolutnym etanolem. Wysuszyć próbkę na powietrzu (nie suszyć w piecu), aby zapobiec tworzeniu się tlenku miedzi (II).
- Zmierz masę ciała stałego miedzi, aby określić różnicę masy jonu chlorkowego.
3. Obliczenia
- Określ masę jonu chlorkowego na podstawie różnicy:
- Użyj masy molowej każdego składnika związku, aby określić mole każdego składnika.
- Podziel mole każdego składnika przez mole najmniejszego składnika, aby uzyskać najmniejszy stosunek liczb całkowitych składników, znany również jako wzór empiryczny związku.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Określenie wzoru chemicznego związku jest podstawowym aspektem zawodu chemika.
We wzorze chemicznym symbole pierwiastków i indeksy dolne opisują typy i liczbę atomów obecnych w cząsteczce. Wzór empiryczny to prosty rodzaj wzoru chemicznego, który zapewnia najmniejszy stosunek liczb całkowitych między pierwiastkami w związku molekularnym. Ze względu na prawo zachowania masy, wzór empiryczny jest często znajdowany przy użyciu składu pierwiastkowego lub procentu masy.
W tym filmie przedstawimy wzór empiryczny i pokażemy, w jaki sposób można go obliczyć za pomocą prostego eksperymentu w laboratorium.
Wzór empiryczny jest najprostszym rodzajem wzoru chemicznego, ponieważ pokazuje względną liczbę atomów każdego pierwiastka w danym związku. Na przykład w nadtlenku wodoru na każde 16 części masy tlenu przypada jedna część masy wodoru. Dlatego na każdy atom wodoru przypada jeden atom tlenu, a wzór empiryczny to H-O. Wiele różnych cząsteczek może mieć ten sam wzór empiryczny.
Wzór cząsteczkowy jest związany ze wzorem empirycznym i reprezentuje rzeczywistą liczbę atomów każdego typu w związku. Na przykład wzór cząsteczkowy nadtlenku wodoru to H2O2, ponieważ każda cząsteczka ma dwa atomy wodoru i dwa atomy tlenu. Wzór strukturalny pokazuje liczbę każdego typu atomu i wiązania między nimi. Pojedyncze linie reprezentują wiązanie chemiczne. Na przykład dla nadtlenku wodoru wzór strukturalny wygląda następująco: H-O-O-H.
Formuły z kropką między związkiem a wodą opisują hydraty. Hydraty to związki chemiczne, które mają przyłączone cząsteczki wody, ale nie są związane kowalencyjnie. Hydraty łatwo tracą cząsteczki wody po podgrzaniu i stają się ?bezwodne'. lub ?bez wody.? Hydraty i związki bezwodne mają unikalne właściwości fizyczne, ponieważ cząsteczki organizują się inaczej.
Teraz, gdy podstawowe zasady wzoru empirycznego zostały wyjaśnione, potwierdźmy empiryczny wzór hydratu chlorku miedzi w laboratorium.
Aby rozpocząć procedurę, należy wysuszyć tygiel powyżej 120 ? C, aby usunąć zaadsorbowaną wilgoć i dokładnie określić jej wagę.
Zważyć próbkę wodzianu chlorku miedzi i umieścić ją w tyglu.
Następnie podgrzej próbkę w tyglu za pomocą źródła ciepła, takiego jak palnik Bunsena. Umieść pokrywę na tyglu, aby zapobiec rozpryskiwaniu, ale trzymaj ją lekko otwartą, aby umożliwić ucieczkę pary wodnej.
Podgrzewać próbkę, aż zmieni kolor z niebiesko-zielonego na czerwono-brązowy. Ta zmiana koloru wskazuje na bezwodną formę chlorku miedzi. Wymieszaj, aby upewnić się, że woda została usunięta z próbki, a kolor jest spójny przez cały czas.
Następnie schłodzić próbkę w eksykatorze, aby zapobiec ponownemu nawodnieniu.
Dokładnie zmierz masę próbki bezwodnej. Różnica odpowiada wodom hydratacyjnym, które zostały utracone podczas ogrzewania.
Przenieść wysuszoną próbkę do zlewki o pojemności 250 ml i rozpuścić w 150 ml wody dejonizowanej. Roztwór powinien ponownie zmienić kolor na niebieski, gdy chlorek miedzi zostanie ponownie uwodniony.
Dodaj mały kawałek drutu aluminiowego do zlewki. Niebieska miedź dwa plus zmniejszy się do czerwonawego miedzianego zera na powierzchni drutu, podczas gdy aluminium utleni się do bezbarwnego aluminium trzy plus. Niebieski kolor roztworu zniknie podczas reakcji.?
Po około 30 minutach użyj dodatkowego aluminium, aby upewnić się, że cała miedź zredukowała się do solidnego metalu miedzianego.
Następnie dodaj około 10 ml 6 M kwasu solnego, aby rozpuścić drut aluminiowy.
Używając lejka Böchnera i wstępnie zważonej bibuły filtracyjnej, przefiltruj próżniowo bezbarwny roztwór. Przepłukać próbkę absolutnym lub czystym etanolem. Pozostawić próbkę do wyschnięcia na powietrzu.
Na koniec zmierz masę ciała stałego miedzi.
Aby określić wzór empiryczny hydratu chlorku miedzi, najpierw oblicz masę każdego składnika. Masę wody określa się przez odjęcie masy wysuszonego chlorku miedzi od masy wodzianu chlorku miedzi. Masę miedzi stwierdzono doświadczalnie. Na koniec masę chlorku ustala się, odejmując masę miedzi i wody od całkowitej masy próbki.
Aby określić najmniejszy stosunek liczb całkowitych składników w związku, przelicz masę każdego składnika na mole za pomocą masy molowej. Następnie podzielić każdy składnik przez najmniejszą liczbę moli w próbce? (w tym przypadku miedź). Najmniejszy stosunek liczb całkowitych daje wzór CuCl2?2H2O.
Określenie i znajomość wzoru empirycznego związku jest ważna w wielu dziedzinach chemii i badań.
Chemia sądowa to zastosowanie chemii w środowisku prawnym. Na przykład nieznane związki, takie jak narkotyki i trucizny, są często znajdowane na miejscach zbrodni. Chemicy sądowi stosują szeroki wachlarz metod w celu identyfikacji nieznanej substancji.
Często kolejnym krokiem w identyfikacji nieznanej substancji jest użycie wzoru empirycznego do określenia wzoru cząsteczkowego. Spektrometr masowy jest często używany do pomocy na tym etapie, ponieważ spektrometr masowy oddziela składniki według ich stosunku masy do ładunku. W ten sposób masa cząsteczki może być następnie wykorzystana do określenia wzoru cząsteczkowego.
Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do formuły empirycznej. Powinieneś teraz zrozumieć, jaka jest empiryczna formuła substancji, czym różni się od wzoru cząsteczkowego i jak ją określić w laboratorium.
Dzięki za oglądanie!
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.