Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
General Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

קביעת הנוסחה האמפירית
 
Click here for the English version

קביעת הנוסחה האמפירית

Overview

מקור: המעבדה של ד"ר ניל אברמס - מכללת SUNY למדעי הסביבה ויערנות

קביעת הנוסחה הכימית של תרכובת היא בלב מה כימאים עושים במעבדה כל יום. כלים רבים זמינים כדי לסייע בקביעה זו, אבל אחד הפשוטים (והמדויקים ביותר) הוא קביעת הנוסחה האמפירית. למה זה שימושי? בגלל חוק שימור המסה, כל תגובה יכולה להיות מלווה באופן כבידתי, או על ידי שינוי במסה. הנוסחה האמפירית מספקת את יחס המספר השלם הקטן ביותר בין אלמנטים (או תרכובות) בתוך תרכובת מולקולרית. בניסוי זה, ניתוח כבידתי ישמש כדי לקבוע את הנוסחה האמפירית של נחושת כלוריד hydrate, CuxCly·nH2O.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

הידרטים הם תרכובות כימיות שיש להן מולקולות מים מחוברות (אך לא מלוכדות באופן קוולנטי) לתרכובת. נוסחאות לחות מסמלות נקודה ("·) בין התרכובת למולקולת המים. לחות בקלות לאבד מולקולות מים על חימום, משאיר מאחור את תרכובת נטול מים (ללא מים). במקרה זה, זה יהיה נחושת כלוריד, CuxCly. ההבדל במסה בין הצורות נטולות התייבשות והלח של המלח מתאים למסה (ומולים) של מים בתרכובת הכימית CuxCly· nH2O. כלוריד נחושת נטול מים מומס לאחר מכן במים, והנחושת מוסרת באמצעות תגובה אדומה עם אלומיניום ליצירת נחושת מוצקה. ההבדל במסה בין הידרציה נחושת כלורי הכולל ואת הסכום של מתכת נחושת מופחתת ומולקולות מים מתאים המסה של כלוריד במדגם. המסה של כל רכיב (Cu, Cl, H2O) מומרת שומות, לפיה החוק של פרופורציות מרובות מאפשר שימוש ביחס כדי לקבוע את הנוסחה האמפירית של המתחם. הנוסחה הכימית האמיתית של המתחם לא ניתן לקבוע מבלי לדעת את המסה המולקולרית שלה, אבל היחס תמיד יישאר זהה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. מייבש את הידרציה

  1. שוקלים במדויק דגימה של לחות כלוריד נחושת ומניחים אותו לתוך כור היתוך מיובש מראש מזופת. חשוב כי כור ההיתוך מיובש מעל 120 °C (70 °F) כדי לגרש כל לחות ספיחה. בדרך כלל, 1-2 גרם של תרכובת יספיק.
  2. מחממים את המדגם באמצעות מבער בונזן או מקור להבה אחר עד שהוא משנה צבע מכחול ירקרק לחום אדמדם(איור 1). שינוי צבע זה מעיד על הצורה נטולת התייבשות של כלוריד נחושת. הכיסוי יכול להישאר על כור ההיתוך כדי למנוע התזה, אבל צריך להיפתח מעט כדי לאפשר אדי מים לברוח.
    1. מערבבים את המדגם כדי להיות בטוחים שהמים מונעים מהדגימה כולה והצבע קבוע לאורך כל הדרך.
    2. כחלופה, ניתן להכניס את הדגימה לתנור ייבוש מעל 110 מעלות צלזיוס.
  3. מצננים את הדגימה במתן. זה מונע מים rehydrating המדגם.
  4. למדוד את המסה של מדגם נטול מים. ההבדל מתאים למים מן הידרציה שאבדה עם חימום.

Figure 1
איור 1. מבער בונזן עם כור היתוך קרמי.

2. בידוד נחושת

  1. מעבירים את הדגימה ל-100 מ"ל וממיסים את המדגם ב-50 מ"ל של מים דה-יוניים. הפתרון צריך להפוך כחול שוב, בדרך כלל יותר כחול מאשר מוצק hydrated.
  2. הוסף כמות קטנה (~ 0.20 גרם) של מתכת אלומיניום לכלוב. זה יגרום הנחושת להפחית מתכת אדמדמה, ואת האלומיניום יהיה חמצון אל3 +חסר צבע . הצבע הכחול של הפתרון צריך להיעלם כמו Cu2 + יונים טופס Cu0. לאחר 30 דקות, להוסיף חתיכות קטנות נוספות של אלומיניום כדי להבטיח את כל הנחושת מופחת נחושת מוצקה.
    1. הפתרון מכיל כעת אל3+ יונים, נחושת מוצקה וכמות קטנה של אלומיניום מוצק.
  3. להמיס כל עודף אלומיניום על ידי הוספת ~ 5 מ"ל של 6 M HCl. אלומיניום הוא amphoteric, כלומר זה יכול להגיב ולהתמוסס בנוכחות חומצה או בסיס.
  4. מסננים ואקום את הפתרון חסר הצבע במשפך Büchner המכיל פיסת נייר סינון ששוקלת מראש. יש לשטוף באתנול מוחלט. יבש אוויר (לא תנור יבש) המדגם כדי למנוע היווצרות של תחמוצת נחושת (II).
  5. למדוד את המסה של מוצק נחושת כדי לקבוע את המסה של יון כלוריד על ידי הבדל.

3. חישובים

  1. קבע את המסה של יון הכלוריד לפי הבדל:
    Equation 1
  2. השתמש במסה הטוחנת של כל רכיב של המתחם כדי לקבוע את המולים של כל רכיב.
  3. חלק את השומות של כל רכיב על ידי מולות של הרכיב הקטן ביותר כדי לתת את יחס המספר השלם הקטן ביותר של רכיבים, הידוע גם בשם הנוסחה האמפירית של המתחם.

קביעת הנוסחה הכימית של תרכובת היא היבט בסיסי של עיסוקו של כימאי.

בנוסחה כימית, סמלי יסוד וכתבים מספריים מתארים את סוגי ומספר האטומים הקיימים במולקולה. הנוסחה האמפירית היא סוג פשוט של נוסחה כימית, המספקת את יחס המספר השלם הקטן ביותר בין אלמנטים בתוך תרכובת מולקולרית. בגלל חוק שימור המסה, הנוסחה האמפירית נמצאת לעתים קרובות באמצעות הרכב אלמנטרי או אחוז מסה.

וידאו זה יציג את הנוסחה האמפירית וידגים כיצד ניתן לחשב אותה באמצעות ניסוי פשוט במעבדה.

הנוסחה האמפירית היא הסוג הפשוט ביותר של נוסחה כימית, כפי שהיא מציגה את המספר היחסי של אטומים של כל יסוד בתרכובת נתונה. לדוגמה, במי חמצן, יש חלק אחד על ידי מסה של מימן על כל 16 חלקים על ידי מסה של חמצן. לכן על כל אטום מימן, יש אטום חמצן אחד, והנוסחה אמפירית היא H-O. למולקולות רבות ושונות עשויה להיות אותה נוסחה אמפירית.

הנוסחה המולקולרית קשורה לנוסחה אמפירית, ומייצגת את המספר הממשי של אטומים מכל סוג במתחם. לדוגמה, הנוסחה המולקולרית של מי חמצן היא H2O2, כמו כל מולקולה יש שני אטומי מימן ושני אטומי חמצן. נוסחה מבנית מציגה את המספר של כל סוג של אטום, ואת הקשרים ביניהם. קווים בודדים מייצגים קשר כימי. לדוגמה, עבור מי חמצן הנוסחה המבנית נראית כך: H-O-O-H.

נוסחאות עם נקודה בין המתחם למים מתארות הידרטים. הידרטים הם תרכובות כימיות שיש להן מולקולות מים מחוברות, אך לא מלוכדות באופן קוולנטי. הידרציה מאבדת בקלות את מולקולות המים שלהן בחימום והופכות ל"נטולות מים", או "ללא מים". לחות ותרכובות נטולות מים יש תכונות פיזיות ייחודיות, כמו המולקולות לארגן אחרת.

כעת, לאחר שהעקרונות הבסיסיים של הנוסחה האמפירית הוסברו, מאפשר לאשר את הנוסחה האמפירית של לחות כלוריד נחושת במעבדה.

כדי להתחיל את ההליך, יבש את כור ההיתוך מעל 120 °C (70 °F) כדי לגרש כל לחות ספיחה, ולקבוע במדויק את משקלו.

שקול מדגם של נחושת כלוריד לחות, ומניחים אותו לתוך כור ההיתוך.

לאחר מכן, לחמם את המדגם כור ההיתוך באמצעות מקור חום, כגון מבער Bunsen. מניחים את הכיסוי על כור ההיתוך כדי לסייע במניעת התזה, אך להשאיר אותו פתוח מעט כדי לאפשר לאדי מים לברוח.

מחממים את הדגימה עד שהיא משתנה מצבע כחול-ירוק לצבע אדום-חום. שינוי צבע זה מעיד על הצורה נטולת התייבשות של כלוריד נחושת. מערבבים כדי לוודא שהמים הובעו מהדגימה, והצבע עקבי לאורך כל הדרך.

לאחר מכן, לקרר את המדגם ייבוש, כדי למנוע rehydration.

למדוד במדויק את המסה של מדגם נטול מים. ההבדל מתאים למי ההידרציה שאבדו עם החימום.

מעבירים את הדגימה המיובשת לתוך כף 250 מ"ל, וממיסים אותה במים 150 מ"ל. הפתרון צריך להפוך כחול שוב, כמו כלוריד נחושת הוא rehydrated.

מוסיפים חתיכה קטנה של חוט אלומיניום לכבס. הנחושת הכחולה 2 פלוס תפחית לאפס נחושת אדמדם על פני החוט, בעוד האלומיניום יתחמצן לאלומיניום חסר צבע שלוש פלוס. הצבע הכחול של הפתרון ייעלם במהלך התגובה.

לאחר כ -30 דקות, השתמש באלומיניום נוסף כדי להבטיח שכל הנחושת הצטמצמה למתכת נחושת מוצקה.

לאחר מכן, להוסיף על 10 מ"ל של 6 M חומצה הידרוכלורית כדי להמיס את חוט האלומיניום.

באמצעות משפך Büchner ונייר סינון שקל מראש, ואקום לסנן את הפתרון חסר הצבע. לשטוף את המדגם עם אתנול מוחלט, או טהור. אפשר לדגימה להתייבש באוויר.

לבסוף, למדוד את המסה של מוצק נחושת.

כדי לקבוע את הנוסחה האמפירית של נחושת כלוריד לחות, תחילה לחשב את המסה של כל רכיב. המסה של מים נקבעת על ידי הפחתה של המשקל של כלוריד נחושת מיובש ממשקל של נחושת כלוריד לחות. מסת הנחושת נמצאה באופן ניסיוני. לבסוף, המסה של כלוריד נמצא על ידי חיסור המסה של נחושת ומים מן המסה הכוללת של המדגם.

כדי לקבוע את יחס המספר השלם הקטן ביותר של הרכיבים במתחם, להמיר את המסה של כל רכיב מולים באמצעות המסה הטוחנת. לאחר מכן לחלק כל רכיב על ידי המספר הקטן ביותר של שומות במדגם (נחושת במקרה זה). יחס המספר השלם הקטן ביותר מניב את הנוסחה של CuCl2· 2H2O.

הנחישות והידע של הנוסחה האמפירית של תרכובת חשובים בתחומים רבים של כימיה ומחקר.

כימיה משפטית היא יישום של כימיה בסביבה משפטית. לדוגמה, תרכובות לא ידועות, כגון סמים ורעלים, נמצאות לעתים קרובות בזירות פשע. כימאים משפטיים משתמשים במגוון רחב של שיטות כדי לזהות את החומר הלא ידוע.

לעתים קרובות, השלב הבא בזיהוי חומר לא ידוע הוא להשתמש בנוסחה אמפירית כדי לקבוע את הנוסחה המולקולרית. ספקטרומטר מסה משמש לעתים קרובות כדי לסייע בשלב זה, כמו ספקטרומטר המסה מפריד בין רכיבים על ידי יחס המסה לטעינה שלהם. לכן, המסה של המולקולה יכולה לשמש כדי לקבוע את הנוסחה המולקולרית.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לנוסחה האמפירית. עכשיו אתה צריך להבין מה הנוסחה אמפירית של חומר, איך זה שונה מהנוסחה המולקולרית, וכיצד לקבוע אותו במעבדה.

תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
  1. ניסוי
    1. מחממים 1.25 גרם של נחושת כלוריד לחות כור היתוך. לאחר חימום ולאחר מכן קירור, המסה הסופית היא 0.986 גרם של נחושת כלוריד, CuxCly.
    2. להמיס את מדגם CuxCly ב 50 מ"ל של מים deionized ולהוסיף 0.2 גרם של רשת אלומיניום בסדר לכוס.
    3. לאחר תגובה והמסת עודף אלומיניום, 0.198 גרם של מתכת נחושת מיובשת הוא התאושש.
    4. הפחת את המסה של נחושת ומים מן הידרציה נחושת הראשונית כדי להניב את המסה של יון כלוריד במדגם:
      Equation 2
  2. נתונים
    1. כדי לקבוע את יחס המספר השלם הקטן ביותר של רכיבים במתחם, להמיר את המסה של כל רכיב מולים ולאחר מכן לחלק כל אחד על ידי המספר הקטן ביותר של שומות במדגם (נחושת במקרה זה):
    רכיב מסה (ז) מסת טחנת (g/מול) שומות יחס יחס מספר שלם מחושב
    נחושת 0.479 63.55 7.53 x 10-3 Equation 3 1
    כלוריד 0.533 35.45 1.50 x 10-2 Equation 4 1.99 ≈ 2
    מים 0.273 18.01 1.51 x 10-2 Equation 5 2.01 ≈ 2

    טבלה 1. תוצאות ניסוי.

    1. יחס המספר השלם הקטן ביותר שנוצר מניב נוסחה של CuCl2· 2H2O.
      1. במקרה שהיחס הסופי מניב ערכים עשרוניים, הנוסחה כולה תוכפל בקבוע כדי להעניק ערכי מספרים שלמים. ערכי שבר נפוצים הם 0.25, 0.333, 0.50, 0.667 ו- 0.75. לדוגמה, אם יחס המספר השלם הקטן ביותר הניב את הנוסחה הניבה C7H9NO2.5, הנוסחה כולה תוכפל ב- 2 כדי לתת את הנוסחה האמפירית C14H18N2O5.
    2. נוסחה מולקולרית לא יכולה להיקבע מהנוסחה האמפירית מבלי לדעת את המסה המולקולרית של המתחם. הסיבה לכך מודגמת בדוגמה שלהלן:
    שם נוסחה מולקולרית נוסחה אמפירית
    חומצה אצטית CH3COOH CH2O
    פורמלדהיד CH2O CH2O
    גלוקוז C6H12O6 CH2O

    טבלה 2. דוגמה לנוסחה אמפירית נפוצה.

    לכל שלוש התרכובות יש את אותה נוסחה אמפירית, אבל נוסחאות מולקולריות שונות מאוד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

בדוגמה אחת, נניח ביומולקול לא ידוע המכיל רק C, H, ו- O נמצא לפעול היטב כמו דלק חדש. דרך אחת לקבוע את הנוסחה של הדלק תהיה דליק אותו באוויר ולנתח את המוצרים:

CxHyOz + O2 → mCO2 + nH2O

בעוד O2 הוא עודף, היינו יודעים את כל הפחמן בפחמן דוחמצני שמקורו biomolecule וכל המימן יהיה נוכח H2O. ההבדל בין המסה הכוללת לבין המסה של הדגימה הראשונית יהיה מסת החמצן במולקולה. לאחר מכן נוכל להמיר שומות ולקבוע את הנוסחה האמפירית.

בדוגמה אחרת, דגימת הידרציה של MgxCly· nH2O ניתן. המסה של מולקולות המים שוב תיקבע בקלות על ידי חימום. באמצעות כמה כללי מסיסות, כלוריד הוא לאחר מכן מזורז עם יון כסף, Ag+, כדי ליצור AgCl(ים). לאחר המסה של AgCl(ים) נמצא, מולים של Cl- נקבעים באמצעות המסה הטוחנת של AgCl(ים) ולאחר מכן המרה לגרמים של Cl-. זה יאפשר לנו לקבוע את המסה של Mg במדגם ואחריו הנוסחה האמפירית.

קביעת נוסחה אמפירית נמצאת במרכז זיהוי הנוסחה של המולקולה עצמה. מתרופות לזיהוי פלילי, קביעת נוסחה מולקולרית היא המפתח לזיהוי תרכובת לא ידועה, כלומר לקחת את הנוסחה האמפירית לשלב הבא. בדרך כלל, הקביעה של נוסחה אמפירית משולבת עם ניתוח אלמנטרי כדי לקבל מידע אחוז משקל אלמנטרי. מנתונים אלה מחושבים יחסי הטוחנת ונקבעת הנוסחה האמפירית. אנחנו יכולים לקבוע את המסה של מולקולה באמצעות כלי אנליטי אחר, כמו ספקטרומטר מסה. לאחר מכן, היחס בין המסה המולקולרית למסה אמפירית מחושב כדי לקבוע את הנוסחה המולקולרית האמיתית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter