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경험적 공식 결정

Overview

출처: 닐 에이브람스 박사 연구소 - SUNY 환경 과학 및 임업 대학

화합물의 화학 공식을 결정하는 것은 화학자들이 매일 실험실에서 하는 일의 핵심입니다. 많은 도구가 이 결정에 도움이 될 수 있지만 가장 간단하고 가장 정확한 도구 중 하나는 경험적 공식의 결정입니다. 이것이 유용한 이유는 무엇입니까? 질량 보존의 법칙 때문에, 어떤 반응은 중력으로 따를 수 있습니다, 또는 질량의 변화에 의해. 경험적 포뮬러는 분자 화합물 내에서 원소(또는 화합물)들 사이에서 가장 작은 전체 수 비율을 제공한다. 본 실험에서, 중력 분석은 구리 염화물 수화물, CuxCly·nH2O의 경험적 공식을 결정하기 위해 사용될 것이다.

Principles

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수화물은 화합물에 물 분자가 부착된 화학 화합물입니다(그러나 공유 결합되지는 않음). 수화된 수식은 화합물과 물 분자사이의 점("·")에 의해 상징된다. 수화물은 가열 시 물 분자를 쉽게 잃어 버리고 무수 (물없이) 화합물을 남깁니다. 이 경우, 그것은 구리 염화물, CuxCly될 것입니다. 염의 무수액과 수화 형태 사이의 질량의 차이는 화학 화합물 CuxCly·에서 물의 질량 (및 두더지)에해당합니다 · nH2O. 무수구리 염화물은 물에 용해되고, 구리는 알루미늄과의 레독스 반응을 통해 제거되어 고체 구리를 형성한다. 총 구리 염화물 수화물과 감소된 구리 금속 및 물 분자의 합 사이의 질량의 차이는 시료내의 염화물 질량에 해당한다. 각 성분의 질량(Cu, Cl, H2O)은 두더지로 변환되며, 이에 따라 다중 비율의 법칙을 통해 화합물의 경험적 공식을 결정하는 비율의 사용을 허용한다. 화합물의 진정한 화학 공식은 분자 질량을 모르고 결정할 수 없지만 비율은 항상 동일하게 유지됩니다.

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Procedure

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1. 수화물 탈수

  1. 구리 염화물 수화물 샘플을 정확하게 계량하여 미리 건조되고 타르드 도가니에 넣습니다. 도가니는 흡착 수분을 몰아120°C 이상으로 건조되는 것이 중요합니다. 일반적으로, 화합물의 1-2 g 충분 합니다.
  2. 분젠 버너 또는 기타 화염 원을 사용하여 시료를 가열하여 녹색 파란색에서 붉은 갈색으로 색이 바뀌도록합니다(그림 1). 이러한 색상 변화는 구리 염화물의 무수성 형태를 나타냅니다. 덮개는 튀는 것을 방지하기 위해 도가니에 머물 수 있지만 수증기가 탈출 할 수 있도록 약간 열어야합니다.
    1. 샘플전체를 저저어 서물이 전체 시료에서 벗어나색상이 상수인지 확인합니다.
    2. 대안으로, 샘플은 110 °C 이상의 건조 오븐에 배치 될 수있다.
  3. 건조기에서 샘플을 식힙니다. 이렇게 하면 물이 시료를 재수화하지 못하게 됩니다.
  4. 무수 시료의 질량을 측정합니다. 차이점은 가열 시 손실된 수화물의 물에 해당합니다.

Figure 1
그림 1. 세라믹 도가니분센 버너.

2. 구리 분리

  1. 샘플을 100mL 비커로 옮기고 시료를 50mL의 탈온수로 용해한다. 용액은 다시 한 번 파란색으로 바뀌어야 하며, 일반적으로 수화 된 솔리드보다 파란색이 더 많아야합니다.
  2. 소량(~0.20g)의 알루미늄 금속을 비커에 넣습니다. 이로 인해 구리가 붉은 금속으로 줄어들고 알루미늄은 무색 Al3+로산화됩니다. Cu2+ 이온이 Cu0을형성함에 따라 용액의 파란색이 사라져야 합니다. 30분 후, 모든 구리를 고체 구리로 줄일 수 있도록 작은 알루미늄 조각을 추가합니다.
    1. 이제 솔루션에는 Al3+ 이온, 고체 구리 및 소량의 고체 알루미늄이 포함되어 있습니다.
  3. 6M HCl의 ~5mL를 첨가하여 여분의 알루미늄을 용해하면 알루미늄이 암포성이므로 산이나 염기의 존재 시 반응하고 용해될 수 있습니다.
  4. 진공 필터는 사전 계량된 필터 용지를 포함하는 Büchner 깔때기에서 무색 용액을 필터링합니다. 절대 에탄올로 헹구는 다. 구리 (II) 산화물의 형성을 방지하기 위해 공기 건조 (오븐 건조하지 않음) 샘플.
  5. 구리 고체의 질량을 측정하여 염화물 이온의 질량을 차이로 결정합니다.

3. 계산

  1. 차이에 의해 염화물 이온의 질량을 결정:
    Equation 1
  2. 화합물의 각 성분의 어금니 질량을 사용하여 각 성분의 두더지를 결정합니다.
  3. 각 성분의 두더지들을 가장 작은 성분의 두더지로 나누어 화합물의 경험적 공식이라고도 하는 구성요소의 가장 작은 전체 수 비율을 부여한다.

화합물의 화학 공식을 결정하는 것은 화학자의 직업의 근본적인 양상입니다.

화학 적 공식에서, 요소 기호 및 숫자 하위 스크립트는 분자에 존재하는 원자의 종류와 수를 설명합니다. 경험적 포뮬러는 분자 화합물 내의 원소 들 사이에서 가장 작은 전체 수 비율을 제공하는 간단한 유형의 화학 포뮬러입니다. 질량의 보존법 때문에, 경험적 공식은 종종 원소 조성 또는 질량 백분율을 사용하여 발견된다.

이 비디오는 경험적 공식을 소개하고 실험실에서 간단한 실험을 사용하여 계산 할 수있는 방법을 보여줍니다.

경험적 포뮬러는 주어진 화합물에서 각 요소의 상대적 원자 수를 나타내기 때문에 가장 간단한 유형의 화학 포뮬러입니다. 예를 들어, 과산화수소에서는 산소 질량에 의해 16개 부품마다 수소 질량에 의해 한 부분이 있습니다. 따라서 모든 수소 원자에 대해 산소 원자가 하나 있으며 경험적 포뮬러는 H-O입니다. 많은 다른 분자는 동일한 경험적 공식을 가질 수 있습니다.

분자 포뮬러는 경험적 수식과 관련이 있으며, 화합물내의 각 유형의 실제 원자 수를 나타낸다. 예를 들어, 과산화수소의 분자 포뮬러는 H2O2이며,각 분자에는 2개의 수소 원자와 2개의 산소 원자가 있습니다. 구조 수식은 각 원자 유형의 수와 그 사이의 결합을 보여줍니다. 단일 선은 화학 결합을 나타냅니다. 예를 들어 과산화수소의 경우 구조적 포뮬러는 다음과 같습니다: H-O-O-H.

화합물과 물 사이에 점이 있는 수식은 수분을 설명합니다. 수화물은 물 분자가 부착되어 있지만 공유 결합되지 않은 화학 화합물입니다. 수화물은 가열 시 물 분자를 쉽게 잃어 "무수성"또는 "물없이"됩니다. 분자가 다르게 구성됨에 따라 수분 과 무수 화합물은 독특한 물리적 특성을 가지고 있습니다.

이제 경험적 공식의 기본 원리가 설명되었으므로 실험실에서 구리 염화물 수화물의 경험적 공식을 확인할 수 있습니다.

시술을 시작하려면 120°C 이상의 도가니를 건조하여 흡착된 수분을 제거하고 중량을 정확하게 결정합니다.

구리 염화물 수화물의 샘플을 계량하고 도가니에 넣습니다.

다음으로, 분젠 버너와 같은 열원을 사용하여 도가니의 샘플을 가열한다. 덮개를 도가니에 놓아 튀는 것을 방지하지만 수증기가 빠져나갈 수 있도록 약간 열어 두십시오.

이 붉은 녹색 색상에서 빨간색 갈색으로 변경 될 때까지 샘플을 가열합니다. 이러한 색상 변화는 구리 염화물의 무수성 형태를 나타냅니다. 물이 시료에서 쫓겨나고 색상이 전체적으로 일관되게 유지되도록 저어줍니다.

다음으로, 재수화를 방지하기 위해 건조기에서 샘플을 식힙니다.

무수 시료의 질량을 정확하게 측정합니다. 차이점은 가열 시 손실된 수분 공급의 물에 해당합니다.

건조된 시료를 250mL 비커로 옮기고 150mL 의 분수로 용해한다. 구리 염화물이 재수화됨에 따라 용액이 다시 파란색으로 바뀝니다.

비커에 알루미늄 와이어의 작은 조각을 추가합니다. 블루 구리 2플러스는 와이어 표면에 붉은 구리 제로로 감소하고 알루미늄은 무색 알루미늄 3플러스로 산화됩니다. 반응 중에 용액의 파란색이 사라집니다.

약 30분 후에 추가 알루미늄을 사용하여 모든 구리가 고체 구리 금속으로 감소했는지 확인합니다.

다음으로, 알루미늄 와이어를 용해시키기 위해 6M 염산의 약 10mL를 추가합니다.

Büchner 깔때기와 미리 계량된 필터 용지를 사용하여 무색 솔루션을 진공 필터링합니다. 절대 또는 순수 한 에탄올로 샘플을 헹구는 다. 시료를 공기 건조시키십시오.

마지막으로, 구리 고체의 질량을 측정합니다.

구리 염화물 수화물의 경험적 공식을 결정하기 위해 먼저 각 성분의 질량을 계산합니다. 물의 질량은 구리 염화물 수화물의 무게에서 말린 구리 염화물의 무게를 빼서 결정됩니다. 구리 덩어리가 실험적으로 발견되었다. 마지막으로, 염화물의 질량은 시료의 총 질량에서 구리와 물의 질량을 빼서 발견된다.

화합물내의 가장 작은 전체 수 의 성분 비율을 결정하려면, 어금니 질량을 사용하여 두더지각성분의 질량을 변환한다. 그런 다음 각 구성 요소를 샘플에서 가장 적은 수의 두더지 수로 나눕니다(이 경우 구리). 가장 작은 전체 비율은 CuCl2의공식을산출2 · 2H2O.

화합물의 경험적 공식의 결정과 지식은 화학 및 연구의 많은 분야에서 중요하다.

법의학 화학은 법적 환경에서 화학의 적용입니다. 예를 들어, 마약과 독극물과 같은 알 수 없는 화합물은 범죄 현장에서 종종 발견됩니다. 법의학 화학자는 알 수없는 물질을 식별하기 위해 다양한 방법을 사용합니다.

종종, 알 수없는 물질을 식별하는 다음 단계는 분자 공식을 결정하기 위해 경험적 공식을 사용하는 것입니다. 질량 분광계는 질량 분광계가 질량 대 전하 비율로 구성 요소를 분리하기 때문에 이 단계에서 보조를 사용하는 경우가 있습니다. 따라서, 분자의 질량은 분자 공식을 결정하기 위하여 그 때 이용될 수 있다.

당신은 단지 경험적 공식에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 물질의 경험적 공식이 무엇인지, 분자 수식과 어떻게 다른지, 실험실에서 이를 결정하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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  1. 실험
    1. 도가니에 구리 염화물 수화물 1.25 g를 가열합니다. 가열 및 냉각 후 최종 질량은 구리 염화물 0.986 g, CuxCly입니다.
    2. CuxCly 샘플을 50mL의 탈온화 물에 녹이고 0.2 g의 고급 알루미늄 메쉬를 비커에 추가합니다.
    3. 과잉 알루미늄에 반응하고 용해한 후 0.198 g의 건조 된 구리 금속이 회수됩니다.
    4. 초기 구리 염화물 수화물에서 구리와 물의 질량을 빼서 시료에서 염화물 이온질량을 산출합니다.
      Equation 2
  2. 데이터
    1. 화합물에서 구성 요소의 가장 작은 전체 수 비율을 확인하려면 각 구성 요소의 질량을 두더지로 변환한 다음 샘플에서 가장 작은 두더지 수(이 경우 구리)로 각각 분할합니다.
    구성 요소 질량 (g) 몰 질량(g/mol) 두더지 비율 계산된 전체 수 비율
    구리 0.479 63.55 7.53 x 10-3 Equation 3 1
    염화물 0.533 35.45 1.50 x 10-2 Equation 4 1.99 ≈ 2
    0.273 18.01 1.51 x 10-2 Equation 5 2.01 ≈ 2

    표 1. 실험 결과.

    1. 그 결과 가장 작은 전체 수 비율은 CuCl2의공식을산출합니다 · 2H2O.
      1. 최종 비율이 소수점 값을 산출하는 경우 전체 수식을 상수로 곱하여 전체 수표 값을 제공합니다. 공통 분수 값은 0.25, 0.333, 0.50, 0.667 및 0.75입니다. 예를 들어, 가장 작은 전체 수 비율이 C7H9NO2.5를산출한 경우 전체 수식을 2로 곱하여 경험적 포뮬러 C14H18N2O5를부여합니다.
    2. 분자 포뮬러는 화합물의 분자 질량을 모르고 경험적 포뮬러로부터 결정될 수 없다. 그 이유는 아래 예제에서 설명됩니다.
    이름 분자 포뮬러 경험적 포뮬러
    아세트산 CH3쿠오 CH2O
    포름알데히드 CH2O CH2O
    포도당 C6H12O6 CH2O

    표 2. 일반적인 경험적 공식의 예입니다.

    세 화합물 모두 동일한 경험적 공식을 가지고 있지만 매우 다른 분자 포뮬러를 가지고 있습니다.

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Applications and Summary

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한 예에서, C, H 및 O만 포함하는 알려지지 않은 생체 분자가 새로운 연료로 잘 작용하는 것으로 밝혀졌다고 가정해 봅시다. 연료의 공식을 결정하는 한 가지 방법은 공기 중으로 연소하고 제품을 분석하는 것입니다.

CxHyOz + O2 → mCO2 + nH2O

O2가 초과하는 동안, 우리는 CO2의 모든 탄소가 생체 분자에서 유래하고 모든 수소가 H2O에 존재할 것이라는 것을 알 것입니다. 그 총 질량과 초기 견본의 질량의 다름은 분자에 있는 산소의 질량일 것입니다. 그런 다음 두더지로 변환하여 경험적 공식을 결정할 수 있습니다.

또 다른 예에서, MgxCly의수화 샘플· nH2O가 제공됩니다. 물 분자의 질량은 다시 쉽게 가열에 의해 결정될 것입니다. 일부 용해도 규칙을 사용하여 염화물은 은 이온, Ag+로 침전되어AgCl(들)을형성합니다. AgCl(들)의 질량이 발견되면, Cl의 두더지- AgCl(들)의 어금니 질량을 사용하여 결정된 다음Cl의그램으로 변환 - . 이것은 우리가 경험적 수식 뒤에 견본에 있는 Mg의 질량을 결정할 수 있게 해 줄 것입니다.

경험적 공식을 결정하는 것은 실제 분자의 공식을 식별하는 중심에 있습니다. 제약에서 법의학에 이르기까지 분자 포뮬러의 결정은 알 수없는 화합물을 식별하는 데 핵심이며, 이는 경험적 공식을 다음 단계로 가져 가는 것을 의미합니다. 전형적으로, 경험적 수식의 결정은 원소 중량%의 정보를 얻기 위하여 원소 분석과 결합됩니다. 이러한 데이터에서 어금니 비율이 계산되고 경험적 수식이 결정됩니다. 질량 분광계와 같은 다른 분석 도구를 사용하여 분자의 질량을 결정할 수 있습니다. 이어서, 분자 질량과 경험적 질량 사이의 비율은 진정한 분자 공식을 결정하기 위해 계산된다.

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