Determinação da Fórmula Empírica
Fonte: Laboratório do Dr. Neal Abrams - SUNY College of Environmental Science and Forestry
Determinar a fórmula química de um composto está no centro…
1. Desidratando o Hidratado
- Pesar com precisão uma amostra de hidrato de cloreto de cobre e colocá-lo em um cadinho pré-seco e tared. É importante que o cadinho esteja seco acima de 120 °C para afastar qualquer umidade adsorvida. Normalmente, 1-2 g de composto será suficiente.
- Aqueça a amostra usando um queimador Bunsen ou outra fonte de chama até que ela mude de cor de azul esverdeado para marrom-avermelhado(Figura 1). Esta mudança de cor é indicativa da forma anidro de cloreto de cobre. A tampa pode permanecer no cadinho para evitar respingos, mas deve ser aberta ligeiramente para permitir que o vapor de água escape.
- Mexa a amostra para ter certeza de que a água é retirada de toda a amostra e a cor é constante por toda parte.
- Como alternativa, a amostra pode ser colocada em um forno de secagem acima de 110 °C.
- Esfrie a amostra em um desiccator. Isso evita que a água reidrate a amostra.
- Meça a massa da amostra anidro. A diferença corresponde à água do hidrato que foi perdido após o aquecimento.
Figura 1. Bico de bunsen com cadinho de cerâmica.
2. Isolando cobre
- Transfira a amostra para um béquer de 100 mL e dissolva a amostra em 50 mL de água deionizada. A solução deve ficar azul mais uma vez, tipicamente mais azul do que o sólido hidratado.
- Adicione uma pequena quantidade (~0,20 g) de metal de alumínio ao béquer. Isso fará com que o cobre reduza a um metal avermelhado, e o alumínio oxidará para Al3+incolor . A cor azul da solução deve desaparecer à medida que os íons2+ formam0. Após 30 min, adicione pequenos pedaços adicionais de alumínio para garantir que todo o cobre seja reduzido a cobre sólido.
- A solução agora contém íons Al3+, cobre sólido e uma pequena quantidade de alumínio sólido.
- Dissolver qualquer excesso de alumínio adicionando ~5 mL de 6 M HCl. O alumínio é anfotérico, o que significa que pode reagir e dissolver na presença de um ácido ou uma base.
- Filtro de vácuo a solução incolor em um funil Büchner contendo um pedaço de papel filtro pré-pesado. Enxágüe com etanol absoluto. Ar seco (não forno seco) a amostra para evitar a formação de óxido de cobre (II).
- Meça a massa do sólido de cobre para determinar a massa do íon cloreto por diferença.
3. Cálculos
- Determine a massa do íon cloreto por diferença:
- Use a massa molar de cada componente do composto para determinar as verrugas de cada componente.
- Divida as verrugas de cada componente pelas verrugas do menor componente para dar a menor razão de número inteiro de componentes, também conhecida como a fórmula empírica do composto.
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Determinar a fórmula química de um composto é um aspecto fundamental da ocupação de um químico.
Em uma fórmula química, símbolos de elementos e subscritos numéricos descrevem os tipos e o número de átomos presentes em uma molécula. A fórmula empírica é um tipo simples de fórmula química, que fornece a menor proporção de número inteiro entre os elementos dentro de um composto molecular. Por causa da lei da conservação da massa, a fórmula empírica é freqüentemente encontrada usando composição elementar ou porcentagem de massa.
Este vídeo apresentará a fórmula empírica e demonstrará como ela pode ser calculada usando um experimento simples em laboratório.
A fórmula empírica é o tipo mais simples de fórmula química, pois mostra o número relativo de átomos de cada elemento em um determinado composto. Por exemplo, no peróxido de hidrogênio, há uma parte em massa de hidrogênio para cada 16 partes em massa de oxigênio. Portanto, para cada átomo de hidrogênio, há um átomo de oxigênio, e a fórmula empírica é HO. Muitas moléculas diferentes podem ter a mesma fórmula empírica.
A fórmula molecular está relacionada à fórmula empírica e representa o número real de átomos de cada tipo em um composto. Por exemplo, a fórmula molecular do peróxido de hidrogênio é H2O2, pois cada molécula possui dois átomos de hidrogênio e dois átomos de oxigênio. Uma fórmula estrutural mostra o número de cada tipo de átomo e as ligações entre eles. Linhas simples representam uma ligação química. Por exemplo, para o peróxido de hidrogênio, a fórmula estrutural é assim: H-O-O-H.
Fórmulas com um ponto entre o composto e a água descrevem hidratos. Os hidratos são compostos químicos que possuem moléculas de água ligadas, mas não ligadas covalentemente. Os hidratos perdem facilmente suas moléculas de água após o aquecimento e tornam-se "anidros", ou "sem água". Hidratos e compostos anidros têm propriedades físicas únicas, pois as moléculas se organizam de maneira diferente.
Agora que os princípios básicos da fórmula empírica foram explicados, vamos confirmar a fórmula empírica de um hidrato de cloreto de cobre em laboratório.
Para iniciar o procedimento, seque o cadinho acima de 120 ? C para afastar qualquer umidade adsorvida e determinar com precisão seu peso.
Pese uma amostra de um hidrato de cloreto de cobre e coloque-a no cadinho.
Em seguida, aqueça a amostra no cadinho usando uma fonte de calor, como um bico de Bunsen. Coloque a tampa no cadinho para ajudar a evitar respingos, mas mantenha-a ligeiramente aberta para permitir que o vapor de água escape.
Aqueça a amostra até que ela mude de uma cor azul-esverdeada para uma cor marrom-avermelhada. Essa mudança de cor é indicativa da forma anidra do cloreto de cobre. Mexa para garantir que a água tenha sido removida da amostra e que a cor seja consistente por toda parte.
Em seguida, resfrie a amostra em um dessecador, para evitar a reidratação.
Meça com precisão a massa da amostra anidra. A diferença corresponde às águas de hidratação que foram perdidas com o aquecimento.
Transfira a amostra seca para um béquer de 250 mL e dissolva-a em 150 mL de água deionizada. A solução deve ficar azul novamente, à medida que o cloreto de cobre é reidratado.
Adicione um pequeno pedaço de fio de alumínio ao copo. O cobre azul dois mais será reduzido a um cobre avermelhado zero na superfície do fio, enquanto o alumínio oxidará em alumínio incolor três mais. A cor azul da solução desaparecerá durante a reação.
Após cerca de 30 minutos, use alumínio adicional para garantir que todo o cobre tenha sido reduzido a um metal de cobre sólido.
Em seguida, adicione cerca de 10 mL de ácido clorídrico 6 M para dissolver o fio de alumínio.
Usando um funil Böchner e papel de filtro pré-pesado, filtre a solução incolor a vácuo. Enxágue a amostra com etanol absoluto ou puro. Deixe a amostra secar ao ar.
Finalmente, meça a massa do sólido de cobre.
Para determinar a fórmula empírica do hidrato de cloreto de cobre, primeiro calcule a massa de cada componente. A massa de água é determinada subtraindo-se o peso do cloreto de cobre seco do peso do hidrato de cloreto de cobre. A massa de cobre foi encontrada experimentalmente. Finalmente, a massa de cloreto é encontrada subtraindo a massa de cobre e água da massa total da amostra.
Para determinar a menor proporção de número inteiro de componentes no composto, converta a massa de cada componente em moles usando a massa molar. Em seguida, divida cada componente pelo menor número de moles na amostra? (cobre neste caso). A menor proporção de número inteiro produz a fórmula de CuCl2?2H2O.
A determinação e o conhecimento da fórmula empírica de um composto são importantes em muitas áreas da química e da pesquisa.
A química forense é a aplicação da química em um ambiente legal. Por exemplo, compostos desconhecidos, como drogas e venenos, são frequentemente encontrados em cenas de crime. Os químicos forenses usam uma ampla gama de métodos para identificar a substância desconhecida.
Muitas vezes, o próximo passo na identificação de uma substância desconhecida é usar a fórmula empírica para determinar a fórmula molecular. Um espectrômetro de massa é frequentemente usado para ajudar nesta etapa, pois o espectrômetro de massa separa os componentes por sua relação massa-carga. Assim, a massa da molécula pode então ser usada para determinar a fórmula molecular.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE à fórmula empírica. Agora você deve entender qual é a fórmula empírica de uma substância, como ela difere da fórmula molecular e como determiná-la em laboratório.
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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.