Determinación de la fórmula empírica
Determinar la fórmula química de un compuesto es un aspecto fundamental de la ocupación de un químico.
En una fórmula química, los símbolos de los elementos y los subíndices numéricos describen los tipos y el número de átomos presentes en una molécula. La fórmula empírica es un tipo simple de fórmula química, que proporciona la menor proporción de números enteros entre los elementos de un compuesto molecular. Debido a la ley de conservación de la masa, la fórmula empírica se encuentra a menudo utilizando la composición elemental o el porcentaje de masa.
Este vídeo introducirá la fórmula empírica y demostrará cómo se puede calcular utilizando un simple experimento en el laboratorio.
La fórmula empírica es el tipo más simple de fórmula química, ya que muestra el número relativo de átomos de cada elemento en un compuesto dado. Por ejemplo, en el peróxido de hidrógeno, hay una parte en masa de hidrógeno por cada 16 partes en masa de oxígeno. Por tanto, por cada átomo de hidrógeno hay un átomo de oxígeno, y la fórmula empírica es H-O. Muchas moléculas diferentes pueden tener la misma fórmula empírica.
La fórmula molecular está relacionada con la fórmula empírica, y representa el número real de átomos de cada tipo en un compuesto. Por ejemplo, la fórmula molecular del peróxido de hidrógeno es H2O2, ya que cada molécula tiene dos átomos de hidrógeno y dos de oxígeno. Una fórmula estructural muestra el número de cada tipo de átomo y los enlaces entre ellos. Las líneas simples representan un enlace químico. Por ejemplo, para el peróxido de hidrógeno la fórmula estructural tiene este aspecto H-O-O-H.
Las fórmulas con un punto entre el compuesto y el agua describen los hidratos. Los hidratos son compuestos químicos que tienen moléculas de agua unidas, pero no enlazadas covalentemente. Los hidratos pierden fácilmente sus moléculas de agua al calentarse y se convierten en «anhidros», o «sin agua». Los hidratos y los compuestos anhidros tienen propiedades físicas únicas, ya que las moléculas se organizan de forma diferente.
Ahora que se han explicado los principios básicos de la fórmula empírica, vamos a confirmar la fórmula empírica de un hidrato de cloruro de cobre en el laboratorio.
Para comenzar el procedimiento, se debe secar el crisol por encima de 120 °C para expulsar cualquier humedad adsorbida, y determinar con precisión su peso.
Pese una muestra de hidrato de cloruro de cobre y colóquela en el crisol.
A continuación, caliente la muestra en el crisol utilizando una fuente de calor, como un mechero Bunsen. Coloque la tapa en el crisol para ayudar a evitar las salpicaduras, pero manténgala ligeramente abierta para permitir la salida del vapor de agua.
Caliente la muestra hasta que haya cambiado de un color azul-verde a un color rojo-marrón. Este cambio de color es indicativo de la forma anhidra del cloruro de cobre. Remueva para asegurarse de que el agua ha sido expulsada de la muestra, y el color es consistente en todo momento.
A continuación, enfríe la muestra en un desecador, para evitar la rehidratación.
Mida con precisión la masa de la muestra anhidra. La diferencia corresponde a las aguas de hidratación que se perdieron al calentarse.
Transfiera la muestra seca a un vaso de precipitados de 250 mL, y disuélvala en 150 mL de agua desionizada. La solución debería volverse azul de nuevo, ya que el cloruro de cobre se ha rehidratado.
Añada un pequeño trozo de alambre de aluminio al vaso de precipitados. El cobre azul dos plus se reducirá a un cobre rojizo cero en la superficie del alambre, mientras que el aluminio se oxidará a aluminio incoloro tres plus. El color azul de la solución desaparecerá durante la reacción.
Después de unos 30 min, utilice aluminio adicional para asegurarse de que todo el cobre se ha reducido a un metal de cobre sólido.
A continuación, añada unos 10 mL de ácido clorhídrico 6 M para disolver el alambre de aluminio.
Utilizando un embudo Büchner y papel de filtro previamente pesado, filtre al vacío la solución incolora. Aclarar la muestra con etanol absoluto, o puro. Deje que la muestra se seque al aire.
Por último, mida la masa del sólido de cobre.
Para determinar la fórmula empírica del cloruro de cobre hidratado, calcule primero la masa de cada componente. La masa del agua se determina restando el peso del cloruro de cobre seco del peso del cloruro de cobre hidratado. La masa del cobre se encontró experimentalmente. Finalmente, la masa del cloruro se encuentra restando la masa del cobre y del agua de la masa total de la muestra.
Para determinar la menor proporción de números enteros de los componentes en el compuesto, convierta la masa de cada componente a moles utilizando la masa molar. A continuación, divida cada componente por el menor número de moles de la muestra (cobre en este caso). La proporción más pequeña de números enteros arroja la fórmula de CuCl2-2H2O.
La determinación y el conocimiento de la fórmula empírica de un compuesto es importante en muchas áreas de la química y la investigación.
La química forense es la aplicación de la química en un entorno legal. Por ejemplo, a menudo se encuentran compuestos desconocidos, como drogas y venenos, en las escenas del crimen. Los químicos forenses utilizan una amplia gama de métodos para identificar la sustancia desconocida.
A menudo, el siguiente paso para identificar una sustancia desconocida es utilizar la fórmula empírica para determinar la fórmula molecular. Un espectrómetro de masas se utiliza con frecuencia para ayudar en este paso, ya que el espectrómetro de masas separa los componentes por su relación masa-carga. Así, la masa de la molécula puede utilizarse para determinar la fórmula molecular.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la fórmula empírica. Ahora deberías entender qué es la fórmula empírica de una sustancia, en qué se diferencia de la fórmula molecular y cómo determinarla en el laboratorio.
¡Gracias por verlo!