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Determinazione della formula empirica
 
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Determinazione della formula empirica

Overview

Fonte: Laboratorio del Dr. Neal Abrams - SUNY College of Environmental Science and Forestry

Determinare la formula chimica di un composto è al centro di ciò che i chimici fanno in laboratorio ogni giorno. Sono disponibili molti strumenti per aiutare in questa determinazione, ma uno dei più semplici (e più accurati) è la determinazione della formula empirica. Perché è utile? A causa della legge di conservazione della massa, qualsiasi reazione può essere seguita gravimetricamente o da un cambiamento di massa. La formula empirica fornisce il più piccolo rapporto di numero intero tra elementi (o composti) all'interno di un composto molecolare. In questo esperimento, l'analisi gravimetrica sarà utilizzata per determinare la formula empirica dell'idrato di cloruro di rame, CuxCly·nH2O.

Principles

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Gli idrati sono composti chimici che hanno molecole d'acqua attaccate (ma non legate covalentemente) al composto. Le formule idratate sono simboleggiate da un punto ("·") tra il composto e la molecola d'acqua. Idrata facilmente perdere molecole d'acqua al riscaldamento, lasciando dietro di sé il composto anidro (senza acqua). In questo caso, sarebbe cloruro di rame, CuxCly. La differenza di massa tra le forme anidra e idratata del sale corrisponde alla massa (e ai moli) dell'acqua nel composto chimico CuxCly· nH2O. Il cloruro di rame anidro viene quindi disciolto in acqua e il rame viene rimosso attraverso una reazione redox con l'alluminio per formare rame solido. La differenza di massa tra l'idrato totale di cloruro di rame e la somma delle molecole ridotte di rame metallico e acqua corrisponde alla massa di cloruro nel campione. La massa di ogni componente (Cu, Cl, H2O) viene convertita in moli, per cui la legge delle proporzioni multiple consente l'uso di un rapporto per determinare la formula empirica del composto. La vera formula chimica del composto non può essere determinata senza conoscere la sua massa molecolare, ma il rapporto rimarrà sempre lo stesso.

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Procedure

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1. Disidratare l'idrato

  1. Pesare accuratamente un campione di cloruro di rame idrato e metterlo in un crogiolo pre-essiccato e catramato. È importante che il crogiolo venga essiccato al di sopra di 120 °C per allontanare l'umidità adsorbita. In genere, 1-2 g di composto saranno sufficienti.
  2. Riscaldare il campione utilizzando un bruciatore Bunsen o un'altra fonte di fiamma fino a quando non cambia colore da blu-verdastro a bruno-rossastro (Figura 1). Questo cambiamento di colore è indicativo della forma anidra del cloruro di rame. Il coperchio può rimanere sul crogiolo per evitare schizzi, ma deve essere aperto leggermente per consentire al vapore acqueo di fuoriuscire.
    1. Mescolare il campione per assicurarsi che l'acqua venga espulsa dall'intero campione e che il colore sia costante in tutto.
    2. In alternativa, il campione può essere posto in un forno di essiccazione a temperatura superiore a 110 °C.
  3. Raffreddare il campione in un essiccatore. Ciò impedisce all'acqua di reidratare il campione.
  4. Misurare la massa del campione anidro. La differenza corrisponde all'acqua dell'idrato che è stato perso durante il riscaldamento.

Figure 1
Figura 1. Bruciatore Bunsen con crogiolo in ceramica.

2. Isolamento del rame

  1. Trasferire il campione in un becher da 100 mL e sciogliere il campione in 50 mL di acqua deionizzata. La soluzione dovrebbe diventare di nuovo blu, in genere più blu del solido idratato.
  2. Aggiungere una piccola quantità (~ 0,20 g) di metallo alluminio al becher. Ciò farà sì che il rame si riduca a un metallo rossastro e l'alluminio si ossiderà in Al3+ incolore. Il colore blu della soluzione dovrebbe scomparire poiché gli ioni Cu2+ formano Cu0. Dopo 30 minuti, aggiungere altri piccoli pezzi di alluminio per garantire che tutto il rame sia ridotto a rame solido.
    1. La soluzione ora contiene ioni Al3+, rame solido e una piccola quantità di alluminio solido.
  3. Sciogliere l'alluminio in eccesso aggiungendo ~ 5 mL di 6 M HCl. L'alluminio è anfotero, il che significa che può reagire e dissolversi in presenza di un acido o di una base.
  4. Filtrare sottovuoto la soluzione incolore in un imbuto Büchner contenente un pezzo di carta da filtro pre-pesato. Risciacquare con etanolo assoluto. Asciugare all'aria (non a secco il forno) il campione per prevenire la formazione di ossido di rame (II).
  5. Misurare la massa del solido di rame per determinare la massa dello ione cloruro per differenza.

3. Calcoli

  1. Determinare la massa dello ione cloruro per differenza:
    Equation 1
  2. Utilizzare la massa molare di ciascun componente del composto per determinare le moli di ciascun componente.
  3. Dividere le moli di ciascun componente per le moli del componente più piccolo per dare il più piccolo rapporto di numeri interi di componenti, noto anche come formula empirica del composto.

Determinare la formula chimica di un composto è un aspetto fondamentale dell'occupazione di un chimico.

In una formula chimica, i simboli degli elementi e i pedice numerici descrivono i tipi e il numero di atomi presenti in una molecola. La formula empirica è un semplice tipo di formula chimica, che fornisce il più piccolo rapporto di numero intero tra gli elementi all'interno di un composto molecolare. A causa della legge di conservazione della massa, la formula empirica si trova spesso usando la composizione elementare o la percentuale di massa.

Questo video introdurrà la formula empirica e dimostrerà come può essere calcolata utilizzando un semplice esperimento in laboratorio.

La formula empirica è il tipo più semplice di formula chimica, in quanto mostra il numero relativo di atomi di ciascun elemento in un dato composto. Ad esempio, nel perossido di idrogeno, c'è una parte in massa di idrogeno per ogni 16 parti in massa di ossigeno. Pertanto, per ogni atomo di idrogeno, c'è un atomo di ossigeno e la formula empirica è H-O. Molte molecole diverse possono avere la stessa formula empirica.

La formula molecolare è correlata alla formula empirica e rappresenta il numero effettivo di atomi di ciascun tipo in un composto. Ad esempio, la formula molecolare del perossido di idrogeno è H2O2, poiché ogni molecola ha due atomi di idrogeno e due atomi di ossigeno. Una formula strutturale mostra il numero di ogni tipo di atomo e i legami tra di loro. Le singole linee rappresentano un legame chimico. Ad esempio, per il perossido di idrogeno la formula strutturale è simile a questa: H-O-O-H.

Le formule con un punto tra il composto e l'acqua descrivono gli idrati. Gli idrati sono composti chimici che hanno molecole d'acqua attaccate, ma non legate covalentemente. Gli idrati perdono facilmente le loro molecole d'acqua dopo il riscaldamento e diventano "anidri" o "senza acqua". Gli idrati e i composti anidri hanno proprietà fisiche uniche, poiché le molecole si organizzano in modo diverso.

Ora che i principi di base della formula empirica sono stati spiegati, confermiamo la formula empirica di un idrato di cloruro di rame in laboratorio.

Per iniziare la procedura, asciugare il crogiolo a una distanza superiore a 120 °C per allontanare l'umidità adsorbita e determinarne con precisione il peso.

Pesare un campione di un idrato di cloruro di rame e metterlo nel crogiolo.

Quindi, riscaldare il campione nel crogiolo utilizzando una fonte di calore, come un bruciatore Bunsen. Posizionare il coperchio sul crogiolo per evitare schizzi, ma tenerlo leggermente aperto per consentire al vapore acqueo di fuoriuscire.

Riscaldare il campione fino a quando non è cambiato da un colore blu-verde a un colore rosso-marrone. Questo cambiamento di colore è indicativo della forma anidra del cloruro di rame. Mescolare per assicurarsi che l'acqua sia stata espulsa dal campione e che il colore sia coerente in tutto.

Quindi, raffreddare il campione in un essiccatore, per evitare la reidratazione.

Misurare con precisione la massa del campione anidro. La differenza corrisponde alle acque di idratazione che sono state perse dopo il riscaldamento.

Trasferire il campione essiccato in un becher da 250 ml e scioglierlo in 150 ml di acqua deionizzata. La soluzione dovrebbe diventare di nuovo blu, poiché il cloruro di rame viene reidratato.

Aggiungi un piccolo pezzo di filo di alluminio al becher. Il rame blu due più si ridurrà a uno zero di rame rossastro sulla superficie del filo, mentre l'alluminio si ossiderà in alluminio incolore tre più. Il colore blu della soluzione scomparirà durante la reazione.

Dopo circa 30 minuti, utilizzare alluminio aggiuntivo per assicurarsi che tutto il rame si sia ridotto a un solido metallo di rame.

Quindi, aggiungere circa 10 ml di acido cloridrico 6 M per sciogliere il filo di alluminio.

Utilizzando un imbuto Büchner e carta da filtro pre-pesata, filtrare sottovuoto la soluzione incolore. Risciacquare il campione con etanolo assoluto o puro. Lasciare asciugare il campione all'aria.

Infine, misurare la massa del solido di rame.

Per determinare la formula empirica dell'idrato di cloruro di rame, calcolare prima la massa di ciascun componente. La massa d'acqua è determinata sottraendo il peso del cloruro di rame essiccato dal peso dell'idrato di cloruro di rame. La massa di rame è stata trovata sperimentalmente. Infine, la massa di cloruro si trova sottraendo la massa di rame e acqua dalla massa totale del campione.

Per determinare il più piccolo rapporto di numero intero di componenti nel composto, convertire la massa di ciascun componente in moli usando la massa molare. Quindi dividere ogni componente per il minor numero di moli nel campione (rame in questo caso). Il più piccolo rapporto di numeri interi produce la formula di CuCl2· 2H2O.

La determinazione e la conoscenza della formula empirica di un composto è importante in molte aree della chimica e della ricerca.

La chimica forense è l'applicazione della chimica in un contesto legale. Ad esempio, composti sconosciuti, come droghe e veleni, si trovano spesso sulle scene del crimine. I chimici forensi utilizzano una vasta gamma di metodi per identificare la sostanza sconosciuta.

Spesso, il passo successivo nell'identificazione di una sostanza sconosciuta è quello di utilizzare la formula empirica per determinare la formula molecolare. Uno spettrometro di massa viene spesso utilizzato per aiutare in questa fase, poiché lo spettrometro di massa separa i componenti in base al loro rapporto massa-carica. Pertanto, la massa della molecola può quindi essere utilizzata per determinare la formula molecolare.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla formula empirica. Ora dovresti capire qual è la formula empirica di una sostanza, come differisce dalla formula molecolare e come determinarla in laboratorio.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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  1. Rsperimento
    1. Riscaldare 1,25 g di cloruro di rame idrato in un crogiolo. Dopo il riscaldamento e quindi il raffreddamento, la massa finale è di 0,986 g di cloruro di rame, CuxCly.
    2. Sciogliere il campione CuxCly in 50 ml di acqua deionizzata e aggiungere 0,2 g di rete fine di alluminio al becher.
    3. Dopo aver reagito e sciolto l'alluminio in eccesso, vengono recuperati 0,198 g di metallo di rame essiccato.
    4. Sottrarre la massa di rame e acqua dall'idrato di cloruro di rame iniziale per ottenere la massa di ione cloruro nel campione:
      Equation 2
  2. Dati
    1. Per determinare il più piccolo rapporto di numero intero di componenti nel composto, convertire la massa di ciascun componente in moli e quindi dividere ciascuno per il minor numero di moli nel campione (rame in questo caso):
    Componente Messa (g) Massa molare (g/mol) Talpe Rapporto Rapporto numerico intero calcolato
    Rame 0.479 63.55 7,53 x 10-3 Equation 3 1
    Cloruro 0.533 35.45 1,50 x 10-2 Equation 4 1.99 ≈ 2
    Acqua 0.273 18.01 1,51 x 10-2 Equation 5 2.01 ≈ 2

    Tabella 1. Risultati sperimentali.

    1. Il rapporto numerico più piccolo risultante produce una formula di CuCl2· 2H2O.
      1. Nel caso in cui il rapporto finale produca valori decimali, l'intera formula verrebbe moltiplicata per una costante per dare valori di numeri interi. I valori frazionari comuni sono 0,25, 0,333, 0,50, 0,667 e 0,75. Ad esempio, se un più piccolo rapporto di numeri interi producesse la formula prodotta C7H9NO2,5, l'intera formula verrebbe moltiplicata per 2 per dare la formula empirica C14H18N2O5.
    2. Una formula molecolare non può essere determinata dalla formula empirica senza conoscere la massa molecolare del composto. La ragione di ciò è dimostrata nell'esempio seguente:
    Nome Formula molecolare Formula empirica
    Acido acetico CH3COOH CH2O
    Formaldeide CH2O CH2O
    Glucosio C6H12O6 CH2O

    Tabella 2. Esempio di formula empirica comune.

    Tutti e tre i composti hanno la stessa formula empirica, ma formule molecolari molto diverse.

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Applications and Summary

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In un esempio, supponiamo che una biomolecola sconosciuta contenente solo C, H e O agisca bene come un nuovo combustibile. Un modo per determinare la formula del carburante sarebbe quello di bruciarlo in aria e analizzare i prodotti:

CxHyOz + O2 → mCO2 + nH2O

Mentre O2 è in eccesso, sapremmo che tutto il carbonio in CO2 ha origine dalla biomolecola e tutto l'idrogeno sarebbe presente in H2O. La differenza tra quella massa totale e la massa del campione iniziale sarebbe la massa di ossigeno nella molecola. Potremmo quindi convertirci in talpe e determinare la formula empirica.

In un altro esempio, un campione di idrato di MgxCly· nH2O è dato. La massa delle molecole d'acqua sarebbe di nuovo facilmente determinata dal riscaldamento. Usando alcune regole di solubilità, il cloruro viene quindi precipitato con ioni d'argento, Ag+, per formare AgCl(s). Una volta trovata la massa di AgCl(s), le moli di Cl- vengono determinate usando la massa molare di AgCl(s) e quindi convertite in grammi di Cl-. Questo ci permetterebbe di determinare la massa di Mg nel campione seguita dalla formula empirica.

Determinare una formula empirica è al centro dell'identificazione della formula della molecola reale. Dai prodotti farmaceutici alla medicina legale, la determinazione di una formula molecolare è la chiave per identificare un composto sconosciuto, il che significa portare la formula empirica al passo successivo. Tipicamente, la determinazione di una formula empirica è accoppiata con l'analisi elementare per ottenere informazioni sulla percentuale di peso elementare. Da questi dati, vengono calcolati i rapporti molari e viene determinata la formula empirica. Possiamo determinare la massa della molecola usando un altro strumento analitico, come uno spettrometro di massa. Quindi, il rapporto tra la massa molecolare e la massa empirica viene calcolato per determinare la vera formula molecolare.

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