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CP 14 Bestimmung einer chemischen Formel
Wie bestimmt man experimentell die chemische Formel einer Verbindung?
Reinstoffe weisen konstante Eigenschaften auf. So hat z. B. die Verbindung Magnesiumbromid eine Dichte von 3.72 g/cm3 und einen Schmelzpunkt von 711 °C. Diese konstanten Eigenschaften sind auf den einheitlichen Aufbau von Reinstoffen zurückzuführen. D. h., bei der Verbindung Magnesiumbromid sind die Magnesium- und Bromteilchen immer im gleichen Verhältnis im Gitter zu finden.
Bsp. 1: Bestimmung der Formel von Magnesiumbromid
Die Verbindung Magnesiumbromid lässt sich aus den Elementarstoffen Magnesium und Brom synthetisieren:
Magnesium (s) + Brom (l) → Magnesiumbromid (s)
Das Verhältnis der Magnesium- und Bromteilchen in der Verbindung Magnesiumbromid und damit die chemische Formel lassen sich experimentell ermitteln. Dazu bestimmt man vor der Reaktion die Masse des Magnesiummetalls. Beim zweiten Edukt, der Flüssigkeit Brom, arbeitet man mit einem Überschuss, damit garantiert alles Magnesium reagiert. Anschliessend führt man die exotherme Reaktion durch und lässt das nicht reagierte Brom verdunsten. Danach bestimmt man mit der Waage die Masse entstandenen Produkts Magnesiumbromid. Der Massenanteil des Broms, welches mit dem Metall reagiert hat, lässt sich berechnen: m (Magnesiumbromid, gewogen) – m (Magnesium, eingewogen) = m (Brom, reagiert). Wenn man den Versuch mehrmals durchführt, lässt sich aus dem Mittelwert ein aussagekräftiges Massenverhältnis der zwei Atomsorten in der Verbindung Magnesiumbromid bestimmen:
| Durchführung Nr. |
m (Magnesium), eingewogen | m (Magnesiumbromid), gewogen | m (Brom, reagiert), berechnet | Massenverhältnis: m(Mg)/m(Br) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 g | 7.51 g | 6.51 g | 1 g / 6.51 g = 0.154 |
| 2 | 2 g | 15.12 g | 13.12 g | 2 g / 13.12 g = 0.152 |
| 3 | 5 g | 38.23 g | 33.23 g | 5 g / 33.23 g = 0.150 |
| Mittelwert | 2.67 g | 17.62 g | 2.67 g / 17.62 g = 0.152 |
Wie man in der letzten Spalte in der obigen Tabelle erkennen kann, ist das Massenverhältnis der zwei Atomsorten Mg und Br in der Verbindung Magnesiumbromid konstant (= Gesetz der konstanten Proportionen), und zwar egal welche Masse Magnesium und Brom beim Versuch zum Einsatz kommt. Wenn man berücksichtigt, dass Mg- und Br-Atome unterschiedlich schwer sind, lässt sich nun das Teilchenanzahlverhältnis und damit die chemische Formel ermitteln:
Aufgabe 1:
Schau das obige Video (3:26 min) und übertrage das Schlussbild ins Journal.
Bsp. 2: Bestimmung der Formel einer unbekannten Verbindung
Bei einer Verbindung unbekannter Zusammensetzung kann mit einem sogenannten Massenspektrometer im Rahmen einer Elementaranalyse (chemische Zerlegung einer Verbindung in die Elemente) die Mengen der einzelnen Elemente quantitativ erfasst und ihre Anteile in Massenprozente berechnet werden. Die Elementaranalyse einer unbekannten Verbindung ergab die folgende prozentuale Zusammensetzung: Cu = 33.9 %, N = 14.9 %, O = 51.2 %. Wie lautet die chemische Formel der unbekannten Verbindung?
Arbeiten im Abzug
Bei der im Beispiel 1 beschriebenen Synthese von Magnesiumbromid arbeitet man mit ätzendem Brom, welches sehr schnell verdampft und in geringsten Konzentrationen Augen, Haut und Lunge angreift. Bei einem solchen Versuch muss das Bromgas zwingend abgesaugt werden. Dies geschieht dadurch, dass man den Versuch in einem Laborabzug durchführt (in der Schweiz auch als Kapelle bezeichnet). Dieser besteht aus einer chemisch und hitzebeständigen Arbeitsplatte, die von drei festen Wänden umschlossen wird. Die Front besteht aus einem vertikal beweglichen Schieber, der zum grössten Teil aus Glas besteht.
Der Abzug ist für ein sicheres Arbeiten im Labor unabdingbar. Die Hauptfunktion des Abzuges ist der Schutz der bedienenden Person sowie aller sich im Labor befindlichen Personen vor den Gefahrstoffen, mit denen im Abzug gearbeitet wird. Insbesondere soll verhindert werden, dass sich Gase und Aerosole (feste oder flüssige Schwebeteilchen) im Labor ausbreiten. Dazu wird der Abzug mit einer geeigneten Lüftungsanlage verbunden, welche die Luft bzw. die Gase aus dem Abzug absaugt und filtriert.
Bedienungselemente einer Kapelle im Chemielabor der KSW
- Frontscheibe: Achte beim Arbeiten, dass die Kapelle genügend geschlossen ist (beachte dazu die farbigen Markierungen an der Seite)
- Gashahn links (für Gasanschluss links)
- Wasserhahn links
- Abzug einschalten durch das Drehen auf die gewünschte Stufe: 1 = schwach; 2 = stark; (wirkt auf alle Kapellen)
- Lüftung ausschalten (wirkt auf alle Kapellen)
- Wasserhahn rechts
- Gashahn rechts (für Gasanschluss rechts)
- Lichtschalter
Aufgabe 2:
(Bei dieser Aufgabe musst du keine Notizen machen.) Gehe zur Kapelle an deinem Arbeitsplatz und überzeuge dich vor Ort, wo die Bedienungselemente des Abzugs zu finden sind:
- Schalte das Licht ein.
- Lass das Wasser aus dem rechten Hahn fliessen, stelle das Wasser dann wieder ab.
- Schliesse den Bunsenbrenner am rechten Gasanschluss an (die Bedienelemente des Brenners sollten zu dir schauen) und nimm den Abzug auf Stufe 1 in Betrieb.
- Nimm den Bunsenbrenner in Betrieb. Achtung Unfallgefahr: Öffne dabei den richtigen Gashahn, nicht jenen, der sich gerade unter der Position des Brenners befindet.
- Bringe die Frontscheibe in Arbeitsposition (grüne Markierung).
- Schalte die Gaszufuhr ab. Den Bunsenbrenner kannst du jedoch für den Versuch angeschlossen lassen.
- Schalte den Abzug und das Licht aus.
Nimm nun die CP-Anleitung zur Hand, studiere die Einleitung und starte anschliessend mit dem Versuch.
Die Aufgaben 1–4 müssen zwingend bearbeitet werden.
(Diese Aufgabe solltest du bereits bearbeitet haben.)
Schau das folgende Video (3:26 min) und übertrage das Schlussbild ins Journal.
(Diese Aufgabe solltest du bereits bearbeitet haben. Es sind keine Notizen nötig.)
Gehe zur Kapelle an deinem Arbeitsplatz und überzeuge dich vor Ort, wo die Bedienungselemente des Abzugs zu finden sind:
- Schalte das Licht ein.
- Lass das Wasser aus dem rechten Hahn fliessen, stelle das Wasser dann wieder ab.
- Schliesse den Bunsenbrenner am rechten Gasanschluss an (die Bedienelemente des Brenners sollten zu dir schauen) und nimm den Abzug auf Stufe 1 in Betrieb.
- Nimm den Bunsenbrenner in Betrieb. Achtung Unfallgefahr: Öffne dabei den richtigen Gashahn, nicht jenen, der sich gerade unter der Position des Brenners befindet.
- Bringe die Frontscheibe in Arbeitsposition (grüne Markierung).
- Schalte die Gaszufuhr ab. Den Bunsenbrenner kannst du jedoch für den Versuch angeschlossen lassen.
- Schalte den Abzug und das Licht aus.
Bedienungselemente einer Kapelle im Chemielabor der KSW
- Frontscheibe: Achte beim Arbeiten, dass die Kapelle genügend geschlossen ist (beachte dazu die farbigen Markierungen an der Seite)
- Gashahn links (für Gasanschluss links)
- Wasserhahn links
- Abzug einschalten durch das Drehen auf die gewünschte Stufe: 1 = schwach; 2 = stark; (wirkt auf alle Kapellen)
- Lüftung ausschalten (wirkt auf alle Kapellen)
- Wasserhahn rechts
- Gashahn rechts (für Gasanschluss rechts)
- Lichtschalter
Fülle die Auswertungstabelle zum Versuch vollständig aus, d. h., berechne berechne die Masse des erhaltenen Kupfersulfids und des reagierten Schwefels m(S), das Massenverhältnis m(Cu) : m(S) und die entsprechenden Mittelwerte aus den 3 Versuchsansätzen:
| Wägung 1: Tiegel leer |
Wägung 3: Tiegel + Kupfersulfid |
Masse Kupfersulfid |
Wägung 2: Kupfer m(Cu) |
Masse Schwefel m(S) |
Massen- verhältnis: m(Cu) : m(S) |
|---|---|---|---|---|---|
| – | – | Mittelwert: |
Der Massenanteil des Schwefels, welches mit dem Kupfer reagierte, lässt sich wie folgt berechnen: m (Kupfersulfid) – m (Kupfer) = m (Schwefel).
Als Mittelwert für das Massenverhältnis der zwei Atomsorten in der Verbindung Kupfersulfid ergibt sich ein Wert von ca. 4 bzw. 4:1.
Bestimme – mithilfe des Massenverhältnisses aus Aufgabe 3 – das Teilchenanzahlverhältnis n(Cu) : n(S) und damit die chemische Formel von Kupfersulfid.
(Rechne hier unbedingt mit den genauen Atommassen aus dem PSE.)
- Berechne, welcher Stoffmenge [mol] die zwei Massenangaben [g] für Kupfer und Schwefel entsprechen.
- Ein Vergleich der zwei berechneten Stoffmengen lässt das anzahlmässige Verhältnis der Cu- und S-Atome in der Verbindung Kupfersulfid erkennen.
- Du kannst dich am Beispiel aus dem Theorieteil orientieren (vgl. deine Notizen zur Aufg. 1).
Recherchiere, ob die von dir ermittelte Summenformel mit jener der Verbindung Kupfer(I)-sulfid übereinstimmt (so heisst der synthetisierte Stoff nämlich exakt).
Die Untersuchung des Minerals Pyrit zeigt, dass es zu 46.6 % aus Eisen und zu 53.4 % aus Schwefel besteht. Wie lautet die chemische Formel?
- Bei den angegebenen Zahlen in % handelt es sich in diesem Zusammenhang immer um Massenprozente. Du kannst also 100 g Pyrit als 100 % betrachten.
- Du kannst dich am Beispiel 1 aus dem Theorieteil orientieren (vgl. deine Notizen zur Aufg. 1) – oder direkt beim noch ähnlicheren Beispiel 2 (nicht in deinem Journal).
- Rechne auch hier unbedingt mit den genauen Atommassen aus dem PSE.
Für die Reaktion von 111.7 g Eisen zu einem Eisenoxid wird genau 48.03 g Sauerstoff verbraucht. Wie lautet die Formel von diesem Eisenoxid?
(Diese Aufgabe entspricht der freiwillig zu bearbeitenden Aufgabe 13 des CP 12/13. Falls du diese Aufgabe damals schon erfolgreich gelöst hast, bist du nun am Ende des CP.)
- Du kannst dich am Beispiel 1 aus dem Theorieteil orientieren (vgl. deine Notizen zur Aufg. 1).
- Rechne auch hier unbedingt mit den genauen Atommassen aus dem PSE.
Anzahl Fe-Atome: 111.7 g : 55.85 g/mol = 2 mol
Anzahl O-Atome: 48.03 g : 16.01 g/mol = 3 mol
Auf 2 Fe-Atome kommen somit 3 O-Atome (Verhältnis 2 : 3), womit die Formel des Eisenoxids lautet: Fe2O3