Ampirik Formülün Belirlenmesi
Kaynak: Dr. Neal Abrams'ın Laboratuvarı - SUNY Çevre Bilimi ve Ormancılık Koleji
Bir bileşiğin kimyasal formülünü belirlemek, kimyagerlerin her gün la…
1. Hidratın Kurutulması
- Bir bakır klorür hidrat örneğini doğru bir şekilde tartın ve önceden kurutulmuş ve darası alınmış bir potaya yerleştirin. Adsorbe edilen nemi uzaklaştırmak için potanın 120 °C'nin üzerinde kurutulması önemlidir. Tipik olarak, 1-2 g bileşik yeterli olacaktır.
- Numuneyi bir Bunsen brülörü veya başka bir alev kaynağı kullanarak rengi yeşilimsi maviden kırmızımsı kahverengiye dönene kadar ısıtın (Şekil 1). Bu renk değişimi, bakır klorürün susuz formunun göstergesidir. Kapak, sıçramayı önlemek için pota üzerinde kalabilir, ancak su buharının kaçmasına izin vermek için hafifçe açılmalıdır.
- Suyun tüm numuneden atıldığından ve rengin baştan sona sabit olduğundan emin olmak için numuneyi karıştırın.
- Alternatif olarak, numune 110 °C'nin üzerindeki bir kurutma fırınına yerleştirilebilir.
- Numuneyi bir desikatörde soğutun. Bu, suyun numuneyi yeniden sulandırmasını önler.
- Susuz numunenin kütlesini ölçün. Aradaki fark, ısıtma sırasında kaybedilen hidrattan gelen suya karşılık gelir.
Şekil 1. Seramik pota ile Bunsen brülör.
2. Bakırın İzole Edilmesi
- Numuneyi 100 mL'lik bir behere aktarın ve numuneyi 50 mL deiyonize suda çözün. Çözelti bir kez daha maviye dönmelidir, tipik olarak hidratlı katıdan daha fazla maviye dönmelidir.
- Behere az miktarda (~ 0.20 g) alüminyum metal ekleyin. Bu, bakırın kırmızımsı bir metale indirgenmesine neden olur ve alüminyum renksiz Al3+'ye oksitlenir. Cu2+ iyonları Cu0 oluşturduğundan çözeltinin mavi rengi kaybolmalıdır. 30 dakika sonra, tüm bakırın katı bakıra indirgendiğinden emin olmak için ek küçük alüminyum parçaları ekleyin.
- Çözelti şimdi Al3+ iyonları, katı bakır ve az miktarda katı alüminyum içerir.
- ~5 mL 6 M HCl ekleyerek fazla alüminyumu çözün. Alüminyum amfoteriktir, yani bir asit veya baz varlığında reaksiyona girebilir ve çözünebilir.
- Renksiz çözeltiyi, önceden tartılmış bir filtre kağıdı parçası içeren bir Büchner hunisinde vakumla filtreleyin. Mutlak etanol ile durulayın. Bakır (II) oksit oluşumunu önlemek için numuneyi havayla kurutun (fırında kurutmayın).
- Klorür iyonunun kütlesini farkla belirlemek için bakır katının kütlesini ölçün.
3. Hesaplamalar
- Klorür iyonunun kütlesini farkla belirleyin:
- Her bir bileşenin mollerini belirlemek için bileşiğin her bir bileşeninin molar kütlesini kullanın.
- Bileşiğin ampirik formülü olarak da bilinen bileşenlerin en küçük tam sayı oranını vermek için her bir bileşenin mollerini en küçük bileşenin mollerine bölün.
Bir bileşiğin kimyasal formülünü belirlemek, bir kimyagerin mesleğinin temel bir yönüdür.
Kimyasal bir formülde, element sembolleri ve sayısal alt simgeler, bir molekülde bulunan atomların türlerini ve sayısını tanımlar. Ampirik formül, moleküler bir bileşik içindeki elementler arasında en küçük tam sayı oranını sağlayan basit bir kimyasal formül türüdür. Kütlenin korunumu yasası nedeniyle, ampirik formül genellikle temel bileşim veya kütle yüzdesi kullanılarak bulunur.
Bu videoda ampirik formül tanıtılacak ve laboratuvarda basit bir deney kullanılarak nasıl hesaplanabileceği gösterilecektir.
Ampirik formül, belirli bir bileşikteki her bir elementin nispi atom sayısını gösterdiği için en basit kimyasal formül türüdür. Örneğin, hidrojen peroksitte, kütlece her 16 kısım oksijen için kütlece bir kısım hidrojen vardır. Bu nedenle her hidrojen atomu için bir oksijen atomu vardır ve ampirik formül H-O'dur. Birçok farklı molekül aynı ampirik formüle sahip olabilir.
Moleküler formül, ampirik formülle ilgilidir ve bir bileşikteki her türün gerçek atom sayısını temsil eder. Örneğin, hidrojen peroksitin moleküler formülü H2O2'dir, çünkü her molekül iki hidrojen atomuna ve iki oksijen atomuna sahiptir. Yapısal bir formül, her bir atom türünün sayısını ve aralarındaki bağları gösterir. Tek çizgiler kimyasal bir bağı temsil eder. Örneğin, hidrojen peroksit için yapısal formül şöyle görünür: H-O-O-H.
Bileşik ve su arasında nokta bulunan formüller hidratları tanımlar. Hidratlar, su moleküllerine bağlı, ancak kovalent olarak bağlanmamış kimyasal bileşiklerdir. Hidratlar ısıtıldığında su moleküllerini kolayca kaybeder ve ?susuz,? ya da ?susuz.? Hidratlar ve susuz bileşikler, moleküller farklı şekilde organize oldukları için benzersiz fiziksel özelliklere sahiptir.
Artık ampirik formülün temel ilkeleri açıklandığına göre, laboratuvarda bir bakır klorür hidratın ampirik formülünü doğrulayalım.
Prosedüre başlamak için, potayı 120 ° C'nin üzerinde kurutun. C adsorbe edilmiş nemi uzaklaştırmak ve ağırlığını doğru bir şekilde belirlemek için.
Bir bakır klorür hidrat örneğini tartın ve potaya yerleştirin.
Ardından, Bunsen brülörü gibi bir ısı kaynağı kullanarak numuneyi potada ısıtın. Sıçramayı önlemeye yardımcı olmak için kapağı potanın üzerine yerleştirin, ancak su buharının kaçmasına izin vermek için hafifçe açık tutun.
Numuneyi mavi-yeşil renkten kırmızı-kahverengi renge değişene kadar ısıtın. Bu renk değişimi, bakır klorürün susuz formunun göstergesidir. Suyun numuneden uzaklaştırıldığından ve rengin baştan sona tutarlı olduğundan emin olmak için karıştırın.
Ardından, rehidrasyonu önlemek için numuneyi bir desikatörde soğutun.
Susuz numunenin kütlesini doğru bir şekilde ölçün. Aradaki fark, ısıtıldığında kaybedilen hidrasyon sularına karşılık gelir.
Kurutulmuş numuneyi 250 mL'lik bir behere aktarın ve 150 mL deiyonize suda çözün. Bakır klorür yeniden sulandırıldığı için çözelti tekrar maviye dönmelidir.
Behere küçük bir parça alüminyum tel ekleyin. Mavi bakır iki artı, telin yüzeyinde kırmızımsı bir bakır sıfıra indirgenirken, alüminyum renksiz alüminyum üç artıya oksitlenecektir. Reaksiyon sırasında çözeltinin mavi rengi kaybolacaktır.
Yaklaşık 30 dakika sonra, tüm bakırın katı bir bakır metale indirgendiğinden emin olmak için ek alüminyum kullanın.
Ardından, alüminyum teli çözmek için yaklaşık 10 mL 6 M hidroklorik asit ekleyin.
Bir Béchner hunisi ve önceden tartılmış filtre kağıdı kullanarak, renksiz çözeltiyi vakumla filtreleyin. Numuneyi mutlak veya saf etanol ile durulayın. Numunenin havada kurumasına izin verin.
Son olarak, bakır katının kütlesini ölçün.
Bakır klorür hidratın ampirik formülünü belirlemek için önce her bir bileşenin kütlesini hesaplayın. Su kütlesi, kurutulmuş bakır klorürün ağırlığının bakır klorür hidratın ağırlığından çıkarılmasıyla belirlenir. Bakır kütlesi deneysel olarak bulundu. Son olarak, klorür kütlesi, numunenin toplam kütlesinden bakır ve su kütlesinin çıkarılmasıyla bulunur.
Bileşikteki bileşenlerin en küçük tam sayı oranını belirlemek için, molar kütleyi kullanarak her bir bileşenin kütlesini mollere dönüştürün. Daha sonra her bir bileşeni numunedeki en küçük mol sayısına bölün? (bu durumda bakır). En küçük tam sayı oranı, CuCl2?2H2O formülünü verir.
Bir bileşiğin ampirik formülünün belirlenmesi ve bilgisi, kimya ve araştırmanın birçok alanında önemlidir.
Adli kimya, kimyanın yasal bir ortamda uygulanmasıdır. Örneğin, ilaçlar ve zehirler gibi bilinmeyen bileşikler genellikle suç mahallerinde bulunur. Adli kimyagerler, bilinmeyen maddeyi tanımlamak için çok çeşitli yöntemler kullanırlar.
Genellikle, bilinmeyen bir maddeyi tanımlamanın bir sonraki adımı, moleküler formülü belirlemek için ampirik formülü kullanmaktır. Kütle spektrometresi bileşenleri kütle-yük oranlarına göre ayırdığından, bu adıma yardımcı olmak için sıklıkla bir kütle spektrometresi kullanılır. Böylece, molekülün kütlesi daha sonra moleküler formülü belirlemek için kullanılabilir.
Az önce JoVE'nin ampirik formüle girişini izlediniz. Artık bir maddenin ampirik formülünün ne olduğunu, moleküler formülden nasıl farklı olduğunu ve laboratuvarda nasıl belirleneceğini anlamalısınız.
İzlediğiniz için teşekkürler!
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.