Bestimmung der Summenformel
Die Bestimmung der chemischen Formel einer Verbindung ist ein grundlegender Aspekt der Tätigkeit eines Chemikers.
In einer chemischen Formel beschreiben Elementsymbole und numerische Indizes die Art und Anzahl der in einem Molekül vorhandenen Atome. Die Summenformel ist eine einfache Art der chemischen Formel, die das kleinste ganzzahlige Verhältnis der Elemente innerhalb einer Molekülverbindung angibt. Aufgrund des Massenerhaltungssatzes wird die Summenformel oft mit Hilfe der Elementzusammensetzung oder des Massenanteils ermittelt.
In diesem Video wird die Summenformel vorgestellt und demonstriert, wie sie mit Hilfe eines einfachen Experiments im Labor berechnet werden kann.
Die Summenformel ist die einfachste Art der chemischen Formel, da sie die relative Anzahl der Atome jedes Elements in einer bestimmten Verbindung angibt. Zum Beispiel gibt es in Wasserstoffperoxid einen Masseteil Wasserstoff für je 16 Masseteile Sauerstoff. Daher gibt es für jedes Wasserstoffatom ein Sauerstoffatom, und die empirische Formel lautet H-O. Viele verschiedene Moleküle können die gleiche Summenformel haben.
Die Summenformel ist mit der Summenformel verwandt und gibt die tatsächliche Anzahl der Atome jeder Art in einer Verbindung an. Zum Beispiel lautet die Summenformel von Wasserstoffperoxid H2O2, da jedes Molekül zwei Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome hat. Eine Strukturformel zeigt die Anzahl der einzelnen Atomtypen und die Bindungen zwischen ihnen. Einzelne Linien stellen eine chemische Bindung dar. Für Wasserstoffperoxid sieht die Strukturformel zum Beispiel so aus: H-O-O-H.
Formeln mit einem Punkt zwischen der Verbindung und Wasser beschreiben Hydrate. Hydrate sind chemische Verbindungen, an die Wassermoleküle gebunden sind, die aber nicht kovalent gebunden sind. Hydrate verlieren beim Erhitzen leicht ihre Wassermoleküle und werden „wasserfrei“, also „ohne Wasser“. Hydrate und wasserfreie Verbindungen haben einzigartige physikalische Eigenschaften, da die Moleküle unterschiedlich organisiert sind.
Nachdem die Grundprinzipien der Summenformel erklärt wurden, soll nun die Summenformel eines Kupferchloridhydrats im Labor bestätigt werden.
Zu Beginn des Verfahrens wird der Tiegel über 120 °C getrocknet, um die adsorbierte Feuchtigkeit zu vertreiben, und sein Gewicht genau bestimmt.
Wiegen Sie eine Probe des Kupferchloridhydrats ab und geben Sie sie in den Tiegel.
Erhitzen Sie anschließend die Probe im Tiegel mit einer Wärmequelle, z. B. einem Bunsenbrenner. Legen Sie den Deckel auf den Tiegel, um Spritzer zu vermeiden, aber lassen Sie ihn leicht geöffnet, damit der Wasserdampf entweichen kann.
Erhitzen Sie die Probe, bis sie sich von einer blau-grünen Farbe in eine rot-braune Farbe verändert hat. Dieser Farbumschlag ist ein Indiz für die wasserfreie Form des Kupferchlorids. Rühren Sie um, um sicherzustellen, dass das Wasser aus der Probe vertrieben wurde und die Farbe durchgängig ist.
Nächstes kühlen Sie die Probe in einem Exsikkator ab, um eine Rehydrierung zu verhindern.
Messen Sie genau die Masse der wasserfreien Probe. Die Differenz entspricht dem Hydratationswasser, das beim Erhitzen verloren gegangen ist.
Überführen Sie die getrocknete Probe in ein 250 mL Becherglas und lösen Sie sie in 150 mL entionisiertem Wasser. Die Lösung sollte wieder blau werden, da das Kupferchlorid rehydriert ist.
Geben Sie ein kleines Stück Aluminiumdraht in das Becherglas. Das blaue Kupfer zwei plus wird sich an der Oberfläche des Drahtes zu einem rötlichen Kupfer null reduzieren, während das Aluminium zu farblosem Aluminium drei plus oxidiert. Die blaue Farbe der Lösung wird während der Reaktion verschwinden.
Nach ca. 30 min verwenden Sie zusätzliches Aluminium, um sicherzustellen, dass das gesamte Kupfer zu einem festen Kupfermetall reduziert ist.
Nächstes fügen Sie ca. 10 mL 6 M Salzsäure hinzu, um den Aluminiumdraht aufzulösen.
Verwenden Sie einen Büchner-Trichter und vorgewogenes Filterpapier und filtrieren Sie die farblose Lösung im Vakuum. Spülen Sie die Probe mit absolutem oder reinem Ethanol. Lassen Sie die Probe an der Luft trocknen.
Schließlich messen Sie die Masse des Kupferfeststoffs.
Um die Summenformel von Kupferchloridhydrat zu bestimmen, berechnen Sie zunächst die Masse der einzelnen Komponenten. Die Masse des Wassers wird durch Subtraktion des Gewichts des getrockneten Kupferchlorids vom Gewicht des Kupferchloridhydrats bestimmt. Die Masse des Kupfers wurde experimentell ermittelt. Schließlich wird die Masse des Chlorids ermittelt, indem die Masse des Kupfers und des Wassers von der Gesamtmasse der Probe subtrahiert wird.
Um das kleinste ganzzahlige Verhältnis der Komponenten in der Verbindung zu bestimmen, wird die Masse jeder Komponente mithilfe der molaren Masse in Mol umgerechnet. Teilen Sie dann jede Komponente durch die kleinste Molzahl der Probe (in diesem Fall Kupfer). Das kleinste ganzzahlige Verhältnis ergibt die Formel von CuCl2-2H2O.
Die Bestimmung und Kenntnis der Summenformel einer Verbindung ist in vielen Bereichen der Chemie und Forschung wichtig.
Forensische Chemie ist die Anwendung der Chemie in einem juristischen Umfeld. Zum Beispiel werden unbekannte Verbindungen, wie Drogen und Gifte, oft an Tatorten gefunden. Forensische Chemiker verwenden eine breite Palette von Methoden, um die unbekannte Substanz zu identifizieren.
Oft ist der nächste Schritt bei der Identifizierung einer unbekannten Substanz die Verwendung der empirischen Formel, um die Molekularformel zu bestimmen. Als Hilfsmittel für diesen Schritt wird häufig ein Massenspektrometer eingesetzt, da das Massenspektrometer die Komponenten nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis trennt. Die Masse des Moleküls kann dann zur Bestimmung der Summenformel herangezogen werden.
Sie haben soeben die Einführung von JoVE in die Summenformel gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, was die Summenformel eines Stoffes ist, wie sie sich von der Summenformel unterscheidet und wie man sie im Labor bestimmt.
Danke fürs Zuschauen!