Определение эмпирической формулы
Источник: Лаборатория доктора Нила Абрамса - Колледж экологических наук и лесного хозяйства SUNY
Определение химической формулы соединения лежит в осн…
1. Обезвоживание гидрата
- Точно взвесьте образец гидрата хлорида меди и поместите его в предварительно высушенный и затаренный тигель. Важно, чтобы тигель был высушен при температуре выше 120 °C, чтобы удалить адсорбированную влагу. Как правило, достаточно 1–2 г состава.
- Нагрейте образец с помощью горелки Бунзена или другого источника пламени до тех пор, пока он не изменит цвет с зеленовато-голубого на красновато-коричневый (Рисунок 1). Такое изменение цвета свидетельствует об безводной форме хлорида меди. Крышка может оставаться на тигле во избежание разбрызгивания, но ее следует слегка приоткрыть, чтобы дать возможность водяному пару уйти.
- Перемешайте образец, чтобы убедиться, что вода вытеснена со всего образца и цвет остается неизменным по всему тексту.
- В качестве альтернативы образец можно поместить в сушильный шкаф при температуре выше 110 °C.
- Охладите образец в эксикаторе. Это предотвращает регидратацию образца водой.
- Измерьте массу безводной пробы. Разница соответствует воде из гидрата, которая была потеряна при нагревании.
Рисунок 1. Горелка Бунзена с керамическим тиглем.
2. Изоляция меди
- Переложите образец в стакан объемом 100 мл и растворите образец в 50 мл деионизированной воды. Раствор должен снова стать синим, обычно более синим, чем гидратированное твердое вещество.
- Добавьте в стакан небольшое количество (~0,20 г) металлического алюминия. Это приведет к тому, что медь превратится в красноватый металл, а алюминий окислится до бесцветного Al3+. Синий цвет раствора должен исчезнуть, так как ионы Cu2+ образуют Cu0. Через 30 минут добавьте дополнительные мелкие кусочки алюминия, чтобы вся медь превратилась в твердую медь.
- Теперь раствор содержит ионы Al3+, твердую медь и небольшое количество твердого алюминия.
- Растворите избыток алюминия, добавив ~5 мл 6 М HCl. Алюминий является амфотерным, то есть он может реагировать и растворяться в присутствии кислоты или основания.
- Вакуумируйте бесцветный раствор в воронке Бюхнера, содержащей предварительно взвешенный лист фильтровальной бумаги. Смойте абсолютным этанолом. Высушите образец на воздухе (не в духовке) для предотвращения образования оксида меди (II).
- Измерьте массу твердого вещества меди, чтобы определить массу иона хлорида по разности.
3. Расчеты
- Определите массу иона хлорида по разности:
- Используйте молярную массу каждого компонента соединения для определения моляров каждого компонента.
- Разделите моли каждого компонента на моли наименьшего компонента, чтобы получить наименьшее отношение целых чисел компонентов, также известное как эмпирическая формула соединения.
Определение химической формулы соединения является основополагающим аспектом профессии химика.
В химической формуле символы элементов и числовые индексы описывают типы и количество атомов, присутствующих в молекуле. Эмпирическая формула представляет собой простой тип химической формулы, который обеспечивает наименьшее целочисленное соотношение между элементами молекулярного соединения. Из-за закона сохранения массы эмпирическая формула часто встречается с использованием элементного состава или процента массы.
В этом видео мы познакомим вас с эмпирической формулой и покажем, как ее можно рассчитать с помощью простого эксперимента в лаборатории.
Эмпирическая формула является простейшим типом химической формулы, так как она показывает относительное число атомов каждого элемента в данном соединении. Например, в перекиси водорода на каждые 16 частей по массе кислорода приходится одна массовая часть водорода. Следовательно, для каждого атома водорода существует один атом кислорода, а эмпирическая формула — H-O. Множество различных молекул могут иметь одну и ту же эмпирическую формулу.
Молекулярная формула связана с эмпирической формулой и представляет собой фактическое число атомов каждого типа в соединении. Например, молекулярная формула перекиси водорода — H2O2, так как каждая молекула имеет два атома водорода и два атома кислорода. Структурная формула показывает количество атомов каждого типа и связи между ними. Одиночные линии представляют собой химическую связь. Например, для перекиси водорода структурная формула выглядит так: H-O-O-H.
Формулы с точкой между соединением и водой описывают гидраты. Гидраты — это химические соединения, к которым присоединены молекулы воды, но они не связаны ковалентно. Гидраты легко теряют свои молекулы воды при нагревании и становятся «безводными». или «без воды». Гидраты и безводные соединения обладают уникальными физическими свойствами, так как молекулы организуются по-разному.
Теперь, когда основные принципы эмпирической формулы объяснены, давайте подтвердим эмпирическую формулу гидрата хлорида меди в лабораторных условиях.
Чтобы начать процедуру, просушите тигель выше 120 ? C для отвода любой адсорбированной влаги и точного определения ее веса.
Взвесьте образец гидрата хлорида меди и поместите его в тигель.
Затем нагрейте образец в тигле с помощью источника тепла, например горелки Бунзена. Поместите крышку на тигель, чтобы предотвратить разбрызгивание, но держите его слегка приоткрытым, чтобы водяной пар мог выйти.
Нагревайте образец до тех пор, пока он не изменит цвет с сине-зеленого на красно-коричневый. Такое изменение цвета свидетельствует об безводной форме хлорида меди. Перемешайте, чтобы убедиться, что вода была отброшена от образца, а цвет равномерный по всему тексту.
Затем охладите образец в эксикаторе, чтобы предотвратить регидратацию.
Точно измерьте массу безводного образца. Разница соответствует водам для гидратации, которые были потеряны при нагревании.
Переложите высушенный образец в стакан объемом 250 мл и растворите его в 150 мл деионизированной воды. Раствор должен снова стать синим, так как хлорид меди регидратируется.
Добавьте в стакан небольшой кусочек алюминиевой проволоки. Синяя медь два плюс уменьшится до красноватого медного нуля на поверхности провода, в то время как алюминий окислится до бесцветного алюминия три плюса. Синий цвет раствора исчезнет во время реакции.
Примерно через 30 минут используйте дополнительный алюминий, чтобы убедиться, что вся медь превратилась в твердый медный металл.
Далее добавьте около 10 мл 6 М соляной кислоты, чтобы растворить алюминиевую проволоку.
Используя воронку Бахнера и предварительно взвешенную фильтровальную бумагу, вакуумируйте бесцветный раствор. Промойте образец абсолютным, или чистым, этанолом. Дайте образцу высохнуть на воздухе.
Наконец, измерьте массу твердого тела меди.
Чтобы определить эмпирическую формулу гидрата хлорида меди, сначала рассчитают массу каждого компонента. Масса воды определяется путем вычитания веса высушенного хлорида меди из массы гидрата хлорида меди. Масса меди была найдена экспериментальным путем. Наконец, масса хлорида определяется путем вычитания массы меди и воды из общей массы образца.
Чтобы определить наименьшее целочисленное соотношение компонентов в соединении, переведите массу каждого компонента в моли с помощью молярной массы. Затем разделите каждый компонент на наименьшее количество молей в образце? (в данном случае медь). Наименьшее отношение целых чисел дает формулу CuCl2?2H2O.
Определение и знание эмпирической формулы соединения имеет важное значение во многих областях химии и исследований.
Судебная химия — это применение химии в правовой среде. Например, на местах преступлений часто обнаруживаются неизвестные соединения, такие как наркотики и яды. Судебные химики используют широкий спектр методов для идентификации неизвестного вещества.
Часто следующим шагом в идентификации неизвестного вещества является использование эмпирической формулы для определения молекулярной формулы. Для помощи на этом этапе часто используется масс-спектрометр, поскольку масс-спектрометр разделяет компоненты по соотношению массы к заряду. Таким образом, масса молекулы может быть затем использована для определения молекулярной формулы.
Вы только что посмотрели введение JoVE в эмпирическую формулу. Теперь вы должны понять, что такое эмпирическая формула вещества, чем она отличается от молекулярной формулы и как ее определить в лаборатории.
Спасибо за просмотр!
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.