FK Labor 3 - Molaarmassi krüoskoopiline määramine (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr 3.
Töö pealkiri: Molaarmassi krüoskoopiline määramine
Üliõpilase nimi ja eesnimi :
Õpperühm
Töö teostamise
kuupäev:
Kontrollitud:
Arvestatud:
Tööülesanne.
Aine molaarmassi leidmiseks määratakse lahusti (näit. vee) ja uuritava aine lahuse külmumistemperatuurid. Molaarmass arvutatakse lahuse külmumis­temperatuuri languse põhjal.
Katseandmete alusel arvutatakse lahustatud aine molaarmass, lähtudes Raoult `i II seadusest (vt. võrrand 5).
(10)
kus
Kk – lahusti krüoskoopiline konstant (lahusti vee puhul Kk = 1,86 Kkgmol–1)
Uuritav molaarmass arvutatakse sellest võrrandist arvestades, et lahuse molaalne kontsentratsioon
(11)
kus
g – lahustunud aine mass, g
M – lahustunud aine molaarmass, g/mol
G – võetud lahusti mass, g
Kui katseks võeti valmislahus ja teada on selle protsentkontsentratsioon (C%), siis saab molaalsuse avaldada protsentkontsentratsiooni ja molaarmassi kaudu.
Katseliselt leitud Tk alusel1 saab uuritava lahuse molaalsuse Cm
Cm =
(12)
Teisest küljest on teada lahusti ja lahustunud aine massid või uuritava lahuse kontsentratsioon massiprotsentides. Viies need massid molaalsuse avaldisse või avaldades molaalsuse protsentkontsentratsiooni kaudu, saab leida otsitava molaarmassi M.
Katse käik.
Katses määratakse puhta lahusti ja uuritava aine kindla kontsentratsiooniga lahuse külmumistemperatuurid.
Algul mõõdetakse puhta lahusti külmumistemperatuur. Lahustit valatakse suuremasse katseklaasi 1 kuni 1,5 cm paksuse kihina (väiksemasse katseklaasi ca 2,5 cm) ja sukeldatakse lahusesse termopaar nii, et see ulatub kindlalt vedelikku. Katseklaasi suudme võib täiendavalt sulgeda korgiga , et termopaar välja ei libiseks. Katseklaas (id) asetatakse jahuti(te)sse ning alustatakse temperatuuri fikseerimist.
Tavaliselt toimub enne lahusti kristallisatsiooni allajahtumine. Kristallisatsioonisoojuse eraldumise järel tõuseb temperatuur tõelise külmumistemperatuurini. Pärast allajahtumist esinev maksimaalne temperatuur (puhta lahusti korral jääb see teatud ajaks püsima) ongi külmumistemperatuur (vt graafikuid). Paralleelkatseks võetakse katseklaas lahustiga jahutist välja, soojendatakse käes kuni kristallid on sulanud ( soojaks mitte lasta!) ja alustatakse kohe uut määramist. Katseid korratakse, kuni tulemused ei erine üle 0,01 kraadi (piiratud aja tingimustes mõõdetakse 2 korda). Mõõtmist (arvutiprogrammi tööd) vahepeal ei seisata. Üles märgitakse ligikaudne külmumistemperatuur ja temperatuurihüppe aeg (katsepunkti number), et see hiljem andmetest kergemini üles leida.
Edasi määratakse uuritava aine lahuse külmumistemperatuur. Uuritava aine kindla kontsentratsiooniga lahus saadakse praktikumi juhendajalt või valmistatakse ise kaalumise teel lihvkorgiga suletavasse kolbi. Lahusti kaalutakse tehnilistel kaaludel täpsusega 0,01 g, uuritav aine sõltuvalt kontsentrat­sioonist kas analüütilistel või tehnilistel kaaludel.
Katseklaas loputatakse mitu korda lahusega; seejärel valatakse lahust katseklaasi umbes 1,5 cm (peenemasse klaasi ca 2,5 cm) paksuse lahusekihina. Termopaar kuivatatakse filterpaberiga ja asetatakse lahusesse.
Määratakse lahuse külmumistemperatuur nii nagu lahusti korral (kõrgeim mõnda aega püsiv temperatuur pärast temperatuurihüpet). Tugeva allajahtumise vältimiseks võib lahusesse lasta lahusti kristallikese. Katset korratakse, kuni tulemused ei erine üle 0,01 kraadi (piiratud aja tingimustes mõõdetakse 2 korda).

Lahjendatud lahuste üldised füüsikalised omadused

Lahjendatud lahus koosneb vedelast lahustist ja temas lahustunud mittelenduvast ainest. Lahjendatud lahuste üldiste omaduste all mõistetakse neid lahjendatud lahuste omadusi, mis sõltuvad lahustist, kuid ei sõltu lahustunud aine omadustest. Need omadused on seotud osakeste (ioonide, molekulide) arvuga lahuses ja seetõttu nimetatakse neid sageli ka kolligatiivseteks omadusteks.
Raoult’i seadus: Mittelenduva aine lahjendatud lahuse aururõhk p on võrdne lahusti aururõhuga lahuse kohal.
(1)
kus
X1 on lahusti moolimurd lahuses
Minnes üle lahustunud aine moolimurrule
X2 = 1 – X1 (2)
ja asendades esimesest võrrandist X1 teise võrrandisse, saab
(3)
See on Raoult’i seaduse rakenduslik kuju: aururõhu suhteline langus on võrdne lahustunud aine mooli­murruga lahuses.
Lahustunud aine molaarmassi leidmiseks on tarvis teada aururõhu langust p10 – p . Sageli kasutatakse selle asemel lahuse keemistäpi tõusu või külmumistäpi langust (vaata Palm, Past FK lk. 179–185). Lahjendatud mitteelektrolüüdi lahuse külmumistemperatuuri alanemine (või keemistäpi tõus) on võrdeline lahuse molaalse kontsentratsiooniga
T = K Cm (4)
kus
T – lahuse külmumistäpi alanemine (või keemistäpi tõus), K
Cm – lahuse molaalsus, mol/kg
K – (Kk või Ke) lahusti krüoskoopiline (või ebullioskoopiline) konstant.
(5)
(6)
kus
Ta ja Tk – vastavalt lahusti keemistemperatuur ja külmumistemperatuur, K
Ha ja Hs – vastavalt lahusti molaarne aurustumissoojus ja sulamissoojus , J/mol
M – lahusti molaarmass, g/mol
R – universaalne gaasikonstant.
Elektrolüütide korral sõltub külmumistemperatuuri langus või keemistäpi tõus ka osakeste arvust lahuses. Nii tekib KCl lahustumisel lahusesse ühest valemiühikust kaks iooni (KCl → K+ + Cl–), Na2SO4 lahustumisel aga kolm iooni (Na2SO4 → 2Na+ + SO42 –). Siin tuuakse valemitesse sisse nn isotoonilisustegur i, mis väljendab lahuses olevate molekulide ja ioonide üldarvu ja lahustamiseks võetud molekulide (valemiühikute) arvu suhet.
Sel juhul saab näiteks elektrolüüdilahuse külmumistäpi alanemiseks
T = KkiCm (7)
Kui iga molekul (valemiühik) võib dissotsieeruda  iooniks, siis dissotsatsiooniaste  avaldub
i = ( – 1) + 1 (8)
millest
(9)

Katseandmed

Parameeter
Lahustatud aine ( etanool )
Mteor = 46 kg/mol
Kasutatud lahusti
Kkr = 1,86 K· kg · mol-1
Lahusti külmumistemperatuur T0
a) 0,27 0C
b) 0,24 0C
Lahuse külmumistemperatuur T
a) -4,55 0C
b) -4,57 0C
Lahuse külmumistemperatuuri langus Tk = T0 – T
a) 4,82 0C
b) 4,81 0C
Keskmine külmumistemperatuuri langus Tk
4,815 0C
Lahustatud aine mass g
Lahusti mass G
või
Lahuse protsentkontsentratsioon C%
10% etanooli lahus
Katseliselt leitud molaalsus
Cm = =
Cm = 2,59 mol/kg
Molaarmassi avaldis molaalsuse kaudu (esitada valemid ja arvutus)
(11)
kus
g – lahustunud aine mass, g
M – lahustunud aine molaarmass, g/mol
G – võetud lahusti mass, g
C% = 10%, see tähendab, et 1 kg lahuses on 100 g etanooli ja 900 g vett.
M =
= 42,9 g/mol.
Arvutatud molaarmass M = 42,9 g/mol
M =
= 42,9 g/mol.
kus
g – lahustunud aine mass, g
M – lahustunud aine molaarmass, g/mol
G – võetud lahusti mass, g

Järeldused

Määrasin krüoskoopiliselt 10% etanooli molaarmassi.
Krüoskoopilist mõõtmist teostasin laboratoorset pooljuhtidel töötavat mikrojahutit. Selle töö põhineb Peltier’ efektil: kui juhtida elektrivoolu läbi kahe erineva juhi puutekohast, siis kontaktil (sõltuvalt voolu suunast ) kas eraldub või neeldub soojust. Mikrojahuti põhisõlmeks on termoelement, mis koosneb kahest erinevast pooljuhist, millest üks on elektron-, teine aukjuhtivusega; pooljuhid on ühendatud metalljuhtmega.
Arvutuslikult leitud molaarmass oli 42,9 kg/mol.
Teoreetiliselt peaks olema etanooli molaarmass 46 kg/mol.
Katseliselt mõõdetud tulemus ei lange kokku teoreetilise molaarmassiga ja seetõttu võin oletada, et katsel mõõdetud temperatuuride mõõtmisel on tekkinud viga. Võimalik, et katseklaasid polnud piisavalt puhtaks pestud või termopaari probleemide tõttu (korduvalt näitas valesid temperatuure ning olid ühenduse probleemid) saadud tulemused olid ebatäpsed.
Kasutatud kirjandus:

Praktikumi tööde juhendid, FK3-5. Krüoskoopilised meetodid,
https://moodle.e-ope.ee/course/view.php?id=3714

Laboris salvestatud andmefail: 2013_02_06_mart_vill.xls,
https://moodle.e-ope.ee/mod/folder/view.php?id=248774
1 Temperatuuride vahe korral pole oluline, kas see mõõdeti Celsiuse kraadides või Kelvinites