Metoda combustiei

În vedere determinării compoziţiei şi proprietăţilor substanţelor organice,
asupra probelor de substanţă necunoscută se efectuează mai multe seturi de
analize. Analizele la care este supusă proba pot fi clasificate în trei categorii,
în funcţie de întrebarea la care răspund:

1. Analiza calitativă - răspunde la întrebarea "Care sunt elementele chimice din
care este compusă substanţa analizată?"
2. Analiza cantitativă - răspunde la întrebarea "Ce cantitate din fiecare element
determinat se găseşte în substanţa analizată?"
3. Analiza funcţională - răspunde la întrebarea "Ce grupări funcţionale
determină proprietăţile substanţei analizate?" 

În cele ce urmează, voi prezenta una dintre metodele folosite în vederea
determinării cantitative a elementelor chimice care compun o substanţă organică.
Substanţele organice au proprietatea de a arde şi de a se transforma în dioxid de
carbon, apă şi ale gaze (în funcţie de elementele organogene).

Voi prezenta în continuare o modalitate de a determina formula moleculară a unei
substanţe organice supusa combustiei şi ale cărei rezultate se cunosc.

Problema:

O substanţă organică A, având densitatea vaporilor săi în raport cu aerul
d=3,045 a fost supusă combustiei. Din 4,4 mg substanţă A s-au obţinut 8,8 mg CO2
si 3,6 mg H2O. Determinaţi formula moleculară a substanţei A.

Rezolvare:

Pentru rezolvare vom ţine cont că hidrogenul şi carbonul care se regăseşte în
apa respectiv dioxidul de carbon rezultat provine de la substanţa organică.
Raţionamentul de determinare a cantităţilor de C respectiv de H porneşte de la
conţinutul molar al cele două elemente. Astfel:
pentru C:
44 g CO2 ...................................................12 g C
8,8 mg CO2 (rezultat din combustie)............x mg C

de unde x=2,4 mg C

Analog, pentru H:
18 g H2O .....................................................2 g H
3,6 mg H2O (rezultată din combustie)..........y mg H

de unde y=0,4 mg H

Însumînd cele două valori x + y=2,4 + 0,4 = 2,8 mg C şi H.
Comparând această valoare cu cantitatea de substanţă supusă combustiei vom
observa ca există o diferenţă de 1,6 mg. Aceasta diferentă ne informează că pe
lângă C şi H, în substanţa supusă analizei există şi O.
Avand aceste date vom determina formula procentuală a substanţei A:

4,4 mg A ........ 2,4 mg C ......... 0,4 mg H .......... 1,6 mg O
100 mg A ........ %C .................... %H ................... %O

de unde: %C=54,54%; %H=9,09% şi %O=36,36%
Masa moleculară a substanţei A se determină pe baza densităţii relative
MA=d*Maer=3,045*28,9=88 g/mol

Având la dispoziţie aceste date se aplica algoritmul descris în acest articol.

Despre rapoarte masice

Adeseori, compoziţia unor substanţe organice poate fi reprezentata prin raportul masic. Raportul masic reprezintă raportul dintre cantitaţile, exprimate în grame, din fiecare element chimic care intră în compoziţia substanţelor organice.

Considerând o substanţă organica a cărei formulă chimică o putem scrie la modul general: C_aH_bO_cN_dX_e, putem scrie raportul masic C:H:O:N:X = 12*a:1*b:16*c:14*d:A_X*e, unde A_X este masa atomică a halogenului X considerat. Cu siguranţă, raportul masic, ca unică informaţie referitoare la compoziţia substanţelor organice nu poate conduce la mai mult decât determinarea formulei brute a acestor substanţe. De aceea, la rezolvarea acestui fel de probleme, trebuie "speculate" orice alt fel de informaţii suplimetare mai mult sau mai puţin evidente.

Voi prezenta în cele ce urmează câteva exemple de rezolvare a problemelor de compoziţie a substanţelor organice atunci cand se cunoaşte raportul masic al elementelor organogene constitutive.

Problema:

Să se determine formula brută a substanţelor organice a căror compoziţie este exprimată prin următoarele rapoarte de masa:

a) C:H = 12:1; b) C:H:O = 6:1:8; c) C:H:N = 6:2:7; d) C:H:O:N = 3:1:4:7

Rezolvare:

a) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_b

Raportul masic C:H=12:1 se exprimă, aşa cum am prezentat mai sus ca fiind:

C:H = 12*a:1*b=12:1; în limbaj matematic acest lucru se traduce: 12*a/b=12/1 de unde rezultă că 12*a=12*b adică a=b, caz în care formula moleculară C_aH_b devine C_aH_a, iar formula brută va fi: (CH)_a

b) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_bO_c

Vom grupa rapoartele masice două câte două, păstrând carbonul ca şi elementul de referinţă.

- C:H=6:1 adică 12*a/b=6/1 de unde rezultă b=2*a (1)

- C:O=6:8 adică 12*a/16*c=6/8 de unde rezultă c=a (2)

Din cele două relaţii (1) şi (2) formula moleculară devine: C_aH_2aO_a iar formula brută va fi: (CH₂O)_a

c) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_bN_d.

Procedând analog ca şi la punctul b) vom avea:

- C:H=6:2 adica 12*a/b=6/2 de unde rezultă b=4*a (1)

- C:N=6:7 adică 12*a/14*d=6/7 de unde rezultă d=a (2)

Din cele două relaţii (1) şi (2) formula moleculară devine: C_aH_4aN_a iar formula brută va fi: (CH₄N)_a

d) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_bO_cN_d.

Procedând analog ca şi la punctul b) vom avea:

- C:H=3:1 adica 12*a/b=3/1 de unde rezultă b=4*a (1)

- C:O=3:4 adică 12a/16c=3/4 de unde rezultă c=a (2)

- C:N=6:7 adică 12*a/14*d=6/7 de unde rezultă d=2*a (3)

Din cele trei relaţii (1), (2) şi (3) formula moleculară devine: C_aH_4aO_aN_2a iar formula brută va fi: (CH₄ON₂)_a.

Bibliografie: Iosif Schiketanz, Florin Badea - Chimie organică prin probleme.

Formule brute, formule moleculare

Chimia organică reprezintă, poate, cea mai fascinantă ramură a chimiei. Dacă ne gândim că toate organismele vii există şi se dezvoltă datorită unor reacţii chimice, vom intui cât de vast este acest domeniu. Iar dacă realizăm că substanţele chimice care iau parte la aceste reacţii se constituie în cea mai mare parte a lor în jurul Carbonului, cu atât vom fi mai fascinaţi.

"Compoziţia" unei substanţe chimice organice, tradusă prin formula procentuală se poate transpune în formulă brută (adică elementele care constituie compusul organic şi raportul atomic dintre aceştia) şi ulterior în formulă moleculară (adică elementele care constituie compusul organic şi numărul real al atomilor care intră în componenţa moleculei acestuia).

Presupunând că avem compoziţia unei substanţe organice A, să parcurgem în cele ce urmează paşii necesari pentru determinarea formulei brute şi a celei moleculare:

Problema:

O substanţă organică A conţine: 40%C, 6,66%H, având masa moleculară M_A=60 g/mol. Determinaţi formula moleculară a substanţei A. Se cunosc masele atomice pentru C - 12, H - 1, O - 16.

Rezolvare
1. Verifică existenţa oxigenului în compoziţia substanţei date, ca diferenţa dintre 100% şi suma procentelor substanţelor organogene date:
%O=100 - (%C+%H)=100 - 46,66=53,34%O
OBS  Dacă %O este foarte mic (sub 1%) se consideră că substanţa luată în discuţie nu conţine oxigen.

2. Împarte conţinutul procentual al fiecărui element la masa atomică a elementului respectiv:
C: 40:12=3,33
H:6,66:1=6,66
O:53,34:16=3,33

3. Împarte rezultatele obţinute la pasul anterior la cel mai mic dintre ele:
C: 3,33:3,33=1
H:6,66:3,33=2
O:3,33:3,33=1
OBS Rezultatele obţinute se rotunjesc, dacă este cazul, la cel mai apropiat întreg. Acestea reprezintă raportul atomic al elementelor componente ale substanţei A.

4. Scrie formula brută folosind raportul atomic obţinut la pasul anterior:
FB: (CH₂O)_n 

5. Determină valoarea indicelui n ca fiind raportul dintre M_A si masa moleculară a formulei brute:
n=MA/Mfb, unde Mfb=12x1+1x2+16x1=30 de unde obţinem n=2.


6. Scrie formula moleculară a substanţei A înmulţind numărul de atomi ai fiecărui element din formula brută cu valoarea indicelui n determinată la pasul anterior:

FM: C₂H₄O₂

Am ataşat pentru cei interesaţi 2 probleme.
Succes!