Bepaling van de empirische formule
Het bepalen van de chemische formule van een verbinding is een fundamenteel aspect van het beroep van chemicus.
In een chemische formule beschrijven element-symbolen en numerieke subscripts de soorten en aantallen atomen die in een molecuul aanwezig zijn. De empirische formule is een eenvoudig type van chemische formule, die de kleinste verhouding in hele getallen tussen elementen binnen een moleculaire verbinding geeft. Vanwege de wet van behoud van massa, wordt de empirische formule vaak gevonden met behulp van elementaire samenstelling of massapercentage.
Deze video zal de empirische formule introduceren en laten zien hoe deze kan worden berekend met behulp van een eenvoudig experiment in het laboratorium.
De empirische formule is het eenvoudigste type chemische formule, omdat het het relatieve aantal atomen van elk element in een bepaalde verbinding laat zien. Bijvoorbeeld, in waterstofperoxide is er één massa-deel waterstof voor elke 16 massa-delen zuurstof. Voor elk waterstofatoom is er dus een zuurstofatoom, en de empirische formule is H-O. Veel verschillende moleculen kunnen dezelfde empirische formule hebben.
De moleculaire formule is gerelateerd aan de empirische formule, en geeft het werkelijke aantal atomen van elk type in een verbinding weer. Bijvoorbeeld, de moleculaire formule van waterstofperoxide is H2O2, omdat elk molecuul twee waterstofatomen en twee zuurstofatomen heeft. Een structuurformule toont het aantal van elk type atoom, en de bindingen tussen hen. Enkele lijnen geven een chemische binding weer. Bijvoorbeeld, voor waterstofperoxide ziet de structuurformule er als volgt uit: H-O-O-H.
Formules met een punt tussen de verbinding en water beschrijven hydraten. Hydraten zijn chemische verbindingen waaraan watermoleculen zijn verbonden, maar die niet covalent gebonden zijn. Hydraten verliezen gemakkelijk hun watermoleculen bij verhitting en worden “watervrij”, of “zonder water”. Hydraten en watervrije verbindingen hebben unieke fysische eigenschappen, omdat de moleculen zich anders organiseren.
Nu de basisprincipes van de empirische formule zijn uitgelegd, laten we de empirische formule van een koperchloridehydraat in het laboratorium bevestigen.
Om te beginnen droog je de filterkroes boven 120 °C om eventueel geadsorbeerd vocht te verdrijven, en bepaal je nauwkeurig het gewicht.
Weeg een monster van een koperchloridehydraat en doe dit in de kroes.
Verhit vervolgens het monster in de kroes met behulp van een warmtebron, zoals een bunsenbrander. Plaats het deksel op de kroes om spatten te voorkomen, maar houd het een beetje open om waterdamp te laten ontsnappen.
Verwarm het monster totdat het van een blauwgroene kleur in een rood-bruine kleur is veranderd. Deze kleurverandering is een aanwijzing voor de watervrije vorm van koperchloride. Roer om er zeker van te zijn dat het water van het monster is verdreven, en dat de kleur consistent is.
Koel het monster vervolgens af in een exsiccator, om uitdroging te voorkomen.
Met de massa van het watervrije monster nauwkeurig. Het verschil komt overeen met het hydratatiewater dat bij verhitting verloren is gegaan.
Schenk het gedroogde monster over in een bekerglas van 250 mL, en los het op in 150 mL gedeïoniseerd water. De oplossing moet weer blauw worden, omdat het koperchloride weer gehydrateerd is.
Voeg een klein stukje aluminiumdraad toe aan het bekerglas. Het blauwe koper-2-plus zal op het oppervlak van de draad tot een roodachtige kopernul reduceren, terwijl het aluminium zal oxideren tot het kleurloze aluminium-3-plus. De blauwe kleur van de oplossing zal tijdens de reactie verdwijnen.
Na ongeveer 30 minuten, gebruik extra aluminium om ervoor te zorgen dat al het koper is gereduceerd tot een solide kopermetaal.
Volgende, voeg ongeveer 10 mL van 6 M zoutzuur om de aluminiumdraad op te lossen.
Met behulp van een Büchner trechter en vooraf gewogen filtreerpapier, vacuümfilter de kleurloze oplossing. Spoel het monster met absolute, of zuivere, ethanol. Laat het monster aan de lucht drogen.
Met ten slotte de massa van de vaste stof koper.
Om de empirische formule van koperchloridehydraat te bepalen, berekent u eerst de massa van elk bestanddeel. De massa van het water wordt bepaald door het gewicht van het gedroogde koperchloride af te trekken van het gewicht van het koperchloridehydraat. De massa van koper is proefondervindelijk vastgesteld.
Om de kleinste verhouding in hele getallen van de componenten in de verbinding te bepalen, rekent u de massa van elke component om in mol met behulp van de molaire massa. Deel vervolgens elke component door het kleinste aantal mol in het monster (koper in dit geval). De kleinste verhouding in hele getallen geeft de formule van CuCl2-2H2O.
De bepaling en kennis van de empirische formule van een verbinding is belangrijk in veel gebieden van chemie en onderzoek.
Forensische chemie is de toepassing van chemie in een juridische setting. Zo worden onbekende verbindingen, zoals drugs en vergif, vaak op plaatsen delict aangetroffen. Forensisch scheikundigen gebruiken een breed scala van methoden om de onbekende stof te identificeren.
Vaak is de volgende stap bij het identificeren van een onbekende stof het gebruik van de empirische formule om de molecuulformule te bepalen. Een massaspectrometer wordt vaak gebruikt om bij deze stap te helpen, omdat de massaspectrometer componenten scheidt op basis van hun massa/ladingsverhouding. Zo kan de massa van het molecuul dan worden gebruikt om de molecuulformule te bepalen.
Je hebt zojuist JoVE’s inleiding tot de empirische formule bekeken. Je zou nu moeten begrijpen wat de empirische formule van een stof is, hoe deze verschilt van de moleculaire formule, en hoe je deze in het laboratorium kunt bepalen.
Dank voor het kijken!