We hebben een microscopisch overzicht gegeven van de chemische reactie tussen kwik en broom. De vergelijking
 |
 |
_Bromide_Rotated.png?revision=1&size=bestfit&width=136&height=94) |
 |
 |
 |
geeft dezelfde gebeurtenis weer in termen van chemische symbolen en formules, terwijl de plaatjes hieronder het macroscopische beeld weergeven. Maar hoe komt een scheikundige in de praktijk te weten wat er op microscopische schaal gebeurt? Wanneer een reactie voor de eerste keer wordt uitgevoerd, is er weinig bekend over de microscopische aard van de producten. Daarom is het noodzakelijk experimenteel de samenstelling en formule van een nieuw gesynthetiseerde stof te bepalen.
De eerste stap in een dergelijke procedure is meestal het scheiden en zuiveren van de producten van een reactie. Hoewel bijvoorbeeld de combinatie van kwik met broom voornamelijk kwikbromide oplevert, wordt er vaak ook een beetje kwikbromide gevormd. Een mengsel van kwikbromide met kwikbromide heeft andere eigenschappen dan een zuiver monster van HgBr2, en dus moet het Hg2Br2 worden verwijderd. De geringe oplosbaarheid van Hg2Br2 in water zou zuivering door herkristallisatie mogelijk maken. Het product kan worden opgelost in een kleine hoeveelheid warm water en worden gefiltreerd om onopgelost Hg2Br2 te verwijderen. Na afkoeling en gedeeltelijke verdamping van het water zouden zich kristallen van betrekkelijk zuiver HgBr2 vormen.
Als eenmaal een zuiver product is verkregen, kan de stof aan de hand van zijn fysische en chemische eigenschappen worden geïdentificeerd. De reactie van kwik met broom levert witte kristallen op die smelten bij 236°C. De gevormde vloeistof kookt bij 322°C. Aangezien het product wordt gemaakt door twee elementen te combineren, is het een verbinding. Vergelijking van de eigenschappen met een handboek of een tabel met gegevens leidt tot de conclusie dat het kwikbromide is.
Maar stel dat u de eerste persoon was die ooit kwikbromide bereidde. Er waren toen nog geen tabellen met de eigenschappen ervan, dus hoe kon u dan bepalen dat de formule HgBr2 moest zijn? Eén antwoord is kwantitatieve analyse – de bepaling van het massapercentage van elk element in de verbinding. Dergelijke gegevens worden meestal gerapporteerd als de procentuele samenstelling.
Voorbeeld: Procentuele samenstelling
Wanneer 10,0 g kwik reageert met voldoende broom, ontstaat 18,0 g van een zuivere verbinding. Bereken uit deze experimentele gegevens de procentuele samenstelling.
Oplossing:
Het kwikpercentage is de massa van het kwik gedeeld door de totale massa van de verbinding maal 100 procent:
Het restant van de verbinding (18.0 g – 10 g = 8,0 g) is broom:
Om te controleren of de percentages optellen tot 100:
Om de formule te verkrijgen uit de gegevens van de procentuele samenstelling, moeten we bepalen hoeveel broomatomen er zijn per kwikatoom. Op macroscopische schaal komt dit overeen met de verhouding tussen de hoeveelheid broom en de hoeveelheid kwik. Als de formule HgBr2 is, geeft dit niet alleen aan dat er twee broomatomen per kwikatoom zijn, maar ook dat er 2 mol broomatomen zijn voor elke 1 mol kwikatomen. Dat wil zeggen dat de hoeveelheid broom twee keer zo groot is als de hoeveelheid kwik. De getallen in de verhouding tussen de hoeveelheid broom en de hoeveelheid kwik (2:1) zijn de subscripts van broom en kwik in de formule.
Voorbeeld : Formule
Bepaal de formule voor de verbinding waarvan de procentuele samenstelling in het vorige voorbeeld is berekend.
Oplossing:
Voor het gemak nemen we aan dat we 100 g van de verbinding hebben. Hiervan is 55,6 g (55,6%) kwik en 44,4 g broom. Elke massa kan worden omgerekend naar een hoeveelheid stof
(\begin{align} & n_{Hg}}={55,6 g}}}}}}}}}{200,59 g}} ={0,277 mol Hg}} \\ { } & n_{Hg}=44,4 g} } }ot \dfrac{1 mol Br}}{79,90 g}} =text0,556 mol Br}
Deelt men de grootste hoeveelheid door de kleinste, dan krijgt men
De verhouding 2,01 mol Br op 1 mol Hg houdt ook in, dat er 2,01 Br atomen zijn op 1 Hg atoom. Als de atoomtheorie juist is, bestaat er niet zoiets als 0,01 Br atoom; bovendien zijn onze getallen slechts goed tot op drie significante cijfers. Daarom ronden we 2,01 af op 2 en schrijven we de formule als HgBr2.
Voorbeeld (PaginaIndex{3}): Formuleberekening
Een bromide van kwik heeft de samenstelling 71,5% Hg, 28,5% Br. Bereken de formule.
Oplossing:
Ga weer uit van een monster van 100 g en bereken de hoeveelheid van elk element:
(begin{align} & n_{Hg}}=1,5 g}}frac{1 mol Hg}}{200,59 g}} = 0,356 mol Hg} \\ { } & n_{Hg}=28,5 g} \dfrac{1 mol Br}}{79,90 g}} =0,357 mol Br}
De verhouding is
We zouden dus de formule HgBr.
De in Voorbeeld verkregen formule komt niet overeen met een van de twee kwikbromiden die we al besproken hebben. Is het een derde? Het antwoord is nee omdat onze methode alleen de verhouding tussen Br en Hg kan bepalen. De verhouding 1:1 is hetzelfde als 2:2, en dus zal onze methode hetzelfde resultaat geven voor HgBr of Hg2Br2 (of Hg7Br7, mocht dat bestaan). De formule die met deze methode wordt bepaald, wordt de empirische formule of eenvoudigste formule genoemd. Soms, zoals in het geval van kwikbromide, wijkt de empirische formule af van de werkelijke moleculaire samenstelling of de molecuulformule. Door experimentele bepaling van het molecuulgewicht naast de procentuele samenstelling kan de molecuulformule worden berekend.
Voorbeeld:
Een verbinding met een molecuulgewicht van 28 bevat 85,6% C en 14,4% H. Bepaal de empirische en moleculaire formules.
Oplossing:
(\begin{align} & n_{\text{C}}={85,6 g}}}}}}}{1 mol C}}{12,01 g}} ={7,13 mol C}} \\ { } & n_{\text{H}}={14,4 mol H}}
De empirische formule is dus CH2. Het molecuulgewicht dat overeenkomt met de empirische formule is
Omdat het experimentele molecuulgewicht twee keer zo groot is, moeten alle subscripts verdubbeld worden en is de molecuulformule C2H4.
Soms is de verhouding tussen de hoeveelheden geen geheel getal.
Voorbeeld
(\PageIndex{5}): Empirische formule
Aspirine bevat 60,0% C, 4,48% H, en 35,5% O. Wat is de empirische formule?
Oplossing:
(\begin{align} & n_{\text{H}}=14,4 mol H}} \\ { } \\
Deel alle drie door de kleinste hoeveelheid stof
(\begin{align} & \dfrac{n_{C}}{n_{O}} = \dfrac{5,00 mol C}}{2,22 mol O}} =\dfrac{2,25 mol H}}{1 mol O}} \\ { } & \dfrac{n_{H}}{n_{text{O}}= \dfrac{4,44 mol H}}{2,22 mol O}}= \dfrac{2,00 mol H}}{1 mol O}}
Het is duidelijk dat er twee keer zoveel H-atomen als O-atomen zijn, maar de verhouding tussen C en O is niet zo duidelijk. We moeten 2,25 omrekenen naar een verhouding van kleine gehele getallen. Dit kan door de cijfers achter de komma te veranderen in een breuk. In dit geval wordt .25 een breuk van kleine gehele getallen. Dus \( 2.25 = 2 \klein \dfrac{1}{4} \normale maat = \tfrac{9}}{4}}), en
We kunnen ook
schrijven. De empirische formule is dus C9H8O4.
Als iemand eenmaal een formule heeft bepaald – empirisch of moleculair – kan iemand anders de omgekeerde berekening uitvoeren. Het vinden van de gewichtsprocent samenstelling uit de formule blijkt vaak heel informatief, zoals het volgende voorbeeld laat zien.
Voorbeeld (PaginaIndex{6}): Percentage stikstof
Om de stikstof aan te vullen die bij het oogsten van de planten uit de bodem is verwijderd, worden de verbindingen NaNO3 (natriumnitraat), NH4NO3 (ammoniumnitraat) en NH3 (ammoniak) als meststof gebruikt. Als een boer elke stof voor dezelfde prijs per gram zou kunnen kopen, welke zou dan het voordeligst zijn? Met andere woorden, welke verbinding bevat het grootste percentage stikstof?
Oplossing
We zullen de gedetailleerde berekening alleen laten zien voor het geval van NH4NO3.
1 mol NH4NO3 bevat 2 mol N, 4 mol H, en 3 mol O. De molaire massa is dus
Een monster van 1 mol weegt 80.De massa van 2 mol N die het bevat is
Het percentage N is dus
De percentages H en O zijn eenvoudig te berekenen als
(\begin{align} m_{\text{H}}& = \text{4 mol H}}{1303>
(\begin{align} m_{\text{H}}& = \text{4 mol H}}
008 g}} {text{1 mol H}} = 4,032 g} \\ { } \\ H & = \dfrac{\text{4,032 g}}{80,05 g}} = 5,04 \\ m_{{O}}& = \text{3 mol O}} \cdot \dfrac{16,00 g}}{1 mol O}} = 48,00 g} \\ { } \\ O & = \dfrac{48,00 g}}{80,05 g}}{2073>
Hoewel de laatste twee percentages niet strikt noodzakelijk zijn voor de oplossing van het probleem, vormen ze toch een controle van de resultaten. Het totaal (35,00 + 5,04% + 59,96% = 100,00%) is zoals het hoort. Soortgelijke berekeningen voor NaNO3 en NH3 leveren respectievelijk 16,48% en 82,24% stikstof op. De boer met verstand van scheikunde kiest voor ammoniak!
Inbreng en bijdragen
-
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff, and Adam Hahn.