Eksperimen: Formula empirik kuprum(II) oksida

Jika magnesium oksida dihasilkan dengan menggabungkan logam dengan oksigen, kuprum(II) oksida pula dikaji secara sebaliknya: oksida logam diturunkan kepada logam, dan oksigen yang dibuang diukur. Eksperimen ini menguji penaakulan nisbah mol yang sama daripada sudut penurunan, dan ia amali piawai dalam bab Konsep Mol, Formula dan Persamaan Kimia. Panduan ini menyusun kaedah, pemerhatian, dan kemahiran Kertas 3 yang dihargai dalam pentaksiran amali.

Tujuan

Untuk menentukan formula empirik kuprum(II) oksida dengan menurunkannya menggunakan hidrogen kering dan mencari nisbah bilangan mol atom kuprum kepada bilangan mol atom oksigen dalam oksida itu.

Radas dan bahan

• Kuprum(II) oksida kering (serbuk hitam)
• Tabung pembakaran dengan lubang kecil berhampiran satu hujung
• Bekalan gas hidrogen kering
• Penunu Bunsen
• Kaki retort, bos dan pengapit
• Neraca elektronik
• Bot porselin atau pemegang yang sesuai untuk oksida
• Tikar tahan haba

Prosedur

1. Timbang bot porselin kosong dan catat jisimnya.
2. Letakkan sejumlah kuprum(II) oksida kering ke dalam bot, timbang bot dengan oksida, dan catat jisimnya.
3. Letakkan bot di dalam tabung pembakaran dan apitkan tabung secara mengufuk, dengan lubang kecil menghala ke atas berhampiran hujung jauh.
4. Alirkan arus hidrogen kering melalui tabung untuk menyingkirkan semua udara.
5. Uji ketulenan hidrogen di lubang; hanya apabila ia terbakar dengan senyap, menunjukkan udara telah disingkirkan, barulah selamat untuk diteruskan.
6. Sambil mengekalkan aliran hidrogen, panaskan kuprum(II) oksida dengan kuat dan nyalakan hidrogen yang terlepas di lubang.
7. Teruskan pemanasan sehingga semua oksida hitam bertukar menjadi kuprum perang.
8. Hentikan pemanasan tetapi kekalkan aliran hidrogen sehingga tabung dan bot sejuk, supaya kuprum panas tidak dioksidakan semula oleh udara.
9. Timbang bot dan kuprum, kemudian panaskan semula dalam hidrogen, sejukkan dalam hidrogen dan timbang semula sehingga jisim malar, dan catat jisim akhir.

Pemerhatian yang dijangka

Kuprum(II) oksida hitam beransur bertukar menjadi kuprum perang yang berkilat apabila dipanaskan dalam hidrogen. Titisan air tanpa warna terpeluwap pada bahagian tabung pembakaran yang lebih sejuk, kerana hidrogen bergabung dengan oksigen yang dibuang daripada oksida. Jisim pepejal selepas penurunan lebih kecil daripada jisim kuprum(II) oksida pada mulanya, kerana oksigen telah dibuang.

Inferens dan kesimpulan

Pengurangan jisim ialah jisim oksigen yang dahulunya bergabung dengan kuprum dalam oksida. Jisim kuprum ialah jisim baki, dan jisim oksigen ialah kehilangan jisim. Membahagikan setiap jisim dengan jisim atom relatifnya memberikan bilangan mol atom kuprum dan atom oksigen; nisbah nombor bulat termudah memberikan formula empirik. Nisbah itu menghasilkan satu mol kuprum kepada satu mol oksigen, jadi formula empirik kuprum(II) oksida ialah CuO, dan penurunan mengikut CuO + H₂ → Cu + H₂O.

Kemahiran proses sains (gaya Kertas 3)

Membuat hipotesis. Dalam kuprum(II) oksida, kuprum dan oksigen bergabung pada nisbah tetap, jadi jisim kuprum yang tetap sentiasa bergabung dengan jisim oksigen yang sama.

Mengenal pasti pemboleh ubah. Pemboleh ubah dimanipulasi ialah jisim kuprum(II) oksida yang digunakan; pemboleh ubah bergerak balas ialah jisim kuprum yang diperoleh; pemboleh ubah dimalarkan termasuk bekalan hidrogen kering yang tetap dan pemanasan sehingga jisim malar.

Menjadualkan data. Lukis jadual bagi jisim bot, jisim bot dan kuprum(II) oksida, dan jisim bot dan kuprum, supaya jisim kuprum dan jisim oksigen boleh dicari melalui penolakan.

Membuat inferens. Terangkan mengapa aliran hidrogen dikekalkan sementara tabung menyejuk: kuprum panas akan bertindak balas dengan oksigen dalam udara dan menambah jisim, jadi mengekalkan aliran hidrogen melindungi keputusan.

Definisi secara operasi. Penurunan ditakrifkan secara operasi sebagai lengkap apabila pepejal menjadi perang sepenuhnya dan pemanasan berulang tidak lagi menukar jisimnya.

Langkah keselamatan

• Singkirkan semua udara dengan hidrogen dan uji ketulenan gas sebelum memanaskan, kerana hidrogen dan udara bersama membentuk campuran letupan.
• Jauhkan bekalan hidrogen daripada nyalaan lain, kerana hidrogen sangat mudah terbakar.
• Pakai gogal keselamatan dan kendalikan tabung panas dengan pengapit, untuk mengelakkan melecur.
• Bekerja di kawasan berteruskan udara baik, supaya hidrogen yang terlepas tidak terkumpul.

Ralat lazim

• Memanaskan sebelum udara disingkirkan. Ini berisiko letupan; sentiasa alirkan hidrogen dan uji ketulenan dahulu.
• Menghentikan hidrogen terlalu awal. Jika aliran dihentikan ketika kuprum masih panas, udara mengoksidakannya semula dan jisim naik, merosakkan keputusan.
• Tidak menurunkan sehingga jisim malar. Jika sebahagian oksida belum diturunkan, jisim oksigen yang dibuang terlalu kecil dan nisbah salah.
• Menggunakan kuprum(II) oksida lembap. Lembapan menokok jisim yang bukan sebahagian oksida; guna oksida kering dan hidrogen kering.

Menghubungkan amali dengan pengiraan

Selepas penimbangan, langkah pengiraan menjadikan keputusan bermakna. Jisim kuprum ialah jisim baki perang selepas penurunan, iaitu jisim bot dan kuprum tolak jisim bot. Jisim oksigen yang dibuang ialah kehilangan jisim, iaitu jisim asal kuprum(II) oksida tolak jisim kuprum. Bahagikan jisim kuprum dengan jisim atom relatifnya dan jisim oksigen dengan jisim atom relatifnya untuk mendapat bilangan mol setiap atom, kemudian bahagikan kedua-duanya dengan nilai mol yang lebih kecil untuk memperoleh nisbah nombor bulat termudah. Nisbah satu kepada satu ini mengesahkan formula empirik CuO, dan cara penyusunan kerja yang sama juga digunakan bagi oksida logam lain.

Cara guru kami menggunakan eksperimen ini

Dalam kelas Kimia SPM satu-ke-satu, diajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, kami memasangkan ini dengan eksperimen magnesium oksida supaya pelajar melihat nisbah mol dari kedua-dua arah, oksigen ditambah dan oksigen dibuang. Pelajar yang boleh menerangkan ujian ketulenan dan mengapa hidrogen terus mengalir semasa penyejukan juga boleh menulis kerja CuO dengan kemas. Kerana idea formula empirik dan redoks berulang merentasi Kimia SPM dan ini amali Kertas 3 yang klasik (Kertas 3 ialah Ujian Amali yang menaksir kemahiran proses sains), menguasai rutin keselamatan dan pengiraan di sini membuahkan hasil dalam Kertas 2 dan Kertas 3.