Ideaalgaaside seadused (0)

Sissejuhatus

Gaasilises olekus aine molekulid täidavad ühtlaselt kogu ruumi, molekulid on pidevas korrapäratus soojusliikumises. Molekulidevahelised kaugused on suured, mistõttu jõud nende vahel on väikesed ja jäetakse sageli arvestamata – ideaalgaas . Erinevalt tahketest ainetest ja vedelikest sõltub gaaside maht oluliselt temperatuurist ning rõhust. Gaasiliste ainete mahtu väljendatakse tavaliselt kokkuleppelistel nn normaaltingimustel: temperatuur 273,15 K (0 °C) ja rõhk 101 325 Pa (1,0 atm; 760  mm Hg). Viimasel ajal soovitatakse kasutada gaaside mahu väljendamiseks ka nn standardtingimusi: temperatuur 273,15 K (0 °C) ja rõhk 100 000 Pa (0,987 atm; 750 mm Hg).

Avogadro seadus – kõikide gaaside võrdsed ruumalad sisaldavad ühesugusel temperatuuril ja rõhul võrdse arvu molekule (või väärisgaaside korral aatomeid).

Kui normaaltingimustel on 1,0 mooli gaasi maht ehk molaarruumala Vm=22,4 dm3/mol, siis standardtingimustel:

Sooritades arvutusi gaasidega ja kasutades kirjandust, tuleb hoolega jälgida ja enda töödes alati fikseerida , kas tegu on gaasi mahuga normaal - või standardtingimusel.

Ideaalgaaside võrrandites tuleb kasutada temperatuuriühikutena kelvinit, mitte Celsiuse kraade.

Põhilised ideaalgaaside seadused

Boyle ´i seadus - konstantsel temperatuuril on kindla koguse gaasi maht pöördvõrdelises seoses rõhuga:

Charles’i seadus – konstantsel rõhul on kindla koguse gaasi maht võrdelises sõltuvuses temperatuuriga:

Ülaltoodud valemist saab tuletada, et

Seda seost kasutatakse gaaside mahu viimiseks ühtedelt tingumustelt teistele, sealhulgas ka normaal- ja standardtingimustele

kus V˚ on gaasi maht normaal- või standardtingimustel P˚ normaal- või standardtingimustele vastav rõhk (sõltuvalt valitud ühikutest), T˚ normaal- või standardtingimustele vastav temperatuur kelvinites (mõlemal juhul 273 K), P ja T aga rõhk ja temperatuur, mille juures maht V on antud või mõõdetud.

Daltoni seadus - keemiliselt inaktiivsete gaaside segu üldrõhk võrdub segu moodustavate gaaside osarõhkude summaga . Osarõhk on rõhk, mida avaldaks gaas , kui teisi gaase segus poleks.

Moolimurd - segu ühe komponendi moolide arv jagatud kõikide segus olevate komponentide moolide arvu summaga.

Gaasilise aine molekulid liiguvad alati suunas, kus gaasi osarõhk on väiksem – toimub osarõhu ühtlustumine kogu süsteemis. Seda nähtust nimetatakse difusiooniks.

Difusioon on aineosakeste soojusliikumisest tingitud protsess, mis viib kontsentratsioonide ühtlustumisele süsteemis.

Gaasi suhteline tihedus on ühe gaasi massi suhe teise gaasi massi samadel tingimustel. Gaasi suhteline tihedus on ühikuta suurus ja näitab, mitu korda on antud gaas teisest raskem või kergem.

Suhtelist tihedust väljendatakse tavaliselt õhu suhtes (õhu keskmine molaarmass , arvestades lämmastiku ja hapniku massivahekorda õhus on 29,0 g/mol) või vesiniku (Mvesinik=2,0 g/mol suhtes)

Suhtelise tiheduse kaudu on kerge leida tundmatu gaasi molaarmassi. Kaaludes samadel tingimustel (rõhk, temperatuur) ära kindla mahu õhku ja tundmatut gaasi, saab suhtelisest tihedusest ehk masside suhtest molaarmassi vastavalt

Gaasi absoluutne tihedusnormaaltingimustel ehk 1 kuupdetsimeetri gaasi mass normaaltingimustel

Töö eesmärk

Gaaside saamine laboratooriumis, seosed gaasiliste ainete mahu, temperatuuri ja rõhu vahel, gaasiliste ainete molaarmassi leidmine.

Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid .

Kippi aparaat või CO₂ balloon , 300 ml korgiga varustatud seisukolb, tehnilised kaalud, 250 ml mõõtesilinder, termomeeter , baromeeter , CO₂ gaas.

Kasutatud uurimis - ja analüüsimeetodid ning metoodikad

Kaaluda tehnilistel kaaludel korgiga varustatud ~ 300 ml kuiv kolb (mass m₁). Kolvi kaelale teha viltpliiatsiga märge korgi alumise serva kohale. Juhtida balloonist 7 kuni 8 minuti vältel kolbi CO₂ gaasi. Jälgida, et vooliku ots ulatuks peaaegu kolvi põhjani, aga ei oleks tihedalt vastu põhja Muidu võib juhtuda, et kogu CO₂ väljub voolikukimbu teistest harudest. Kolb sulgeda kiiresti korgiga ja kaaluda uuesti. Juhtida kolbi 1 kuni 2 minuti vältel CO₂ gaasi täiendavalt, sulgeda kolb korgiga ning kaaluda veelkord. Kolvi täitmist jätkata konstantse massi (mass m₂) saavutamiseni. (Masside m₂ ja m₁ vahe on tavaliselt vahemikus 0,17 kuni 0,22 g.) Kolvi mahu (seega ka temas sisalduva gaasi mahu) määramiseks täita kolb märgini toatemperatuuril oleva veega ja vee maht mõõta mõõtesilindri abil. Fikseerida katse sooritamise momendil termomeetri ja baromeetri abil õhutemperatuur ja õhurõhk laboris.

Katseandmed .

𝑚₁ (kolb+kork+õhk kolvis)=144,80 g

𝑚₂ (kolb+kork+CO₂ kolvis)=144,98 g

kolvi maht (õhu maht, CO₂ maht)=0,317 ml=0,317 dm3

õhutemperatuur t°=295,15 K

õhurõhk P=102 400 Pa

Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs

Arvutada, milline oleks õhu (CO2) maht kolvis normaaltingimustel (V0).

Kasutades gaaside tiheduse valemit

ja teades õhu keskmist molaarmassi,

leida õhu tihedus normaaltingimustel

ning selle kaudu õhu mass kolvis (mõhk)

Arvutada kolvi ning korgi mass (m3) vahest

ja CO2mass (mCO2) vahest

Leitud süsinikdioksiidi ning õhu massidest mCO2 ja mõhk arvutada süsinikdioksiidi suhteline tihedus (D) õhu suhtes

ning selle kaudu süsinikdioksiidi molaarmass MCO2

Arvutada katse absoluutne viga, lähtudes CO2 tegelikust molaarmassist 44,0 g/mol ja katseliselt määratud molaarmassist MCO2

ja suhteline viga.

Leida süsinikdioksiidi molaarmass, kasutades ka muid lahenduskäike:

a) moolide arvu kaudu

b) kasutades Clapeyroni võrrandit

Kokkuvõte või järeldused.

Tegin süsiniku molaarmassi leidmiseks katse, milles juhindusin 1.laboratoorse töö juhendist. Katse tulemuste põhjal arvutasin CO2 molaarmassi kolmel erinevat meetodit kasutades: mahu, temperatuuri ja rõhu kaudu; moolide arvu kaudu ning Clapeyroni võrrandit kasutades.

Esimest meetodit kasutades sain CO2 molaarmassiks 42,63 g/mol; moolide arvu kaudu 42,38 g/mol; Clapeyroni võrrandit kasutades sain CO2 molaarmassiks 42,45 g/mol. Kuna tegelik CO2 molaarmass on 44,0 g/mol, on minu arvutuste põhjal kõige täpsem esimene meetod, mille absoluutse vea protsent on 3,11%.

Kõik kolm meetodit andsid tulemuse, mis on natuke väiksem CO2 tegelikust molaarmassist. Seda saab põhjendada asjaoluga, et kolvist pole võimalik kogu õhku välja saada ning õhu keskmine molaarmass on väiksem kui süsinikdioksiidil. Absoluutset viga mõjutavad ka ümardusvead ja CO₂ kaod.Üldiselt võib katse lugeda õnnestunuks, kuna veaprotsent on väga väike.

Töö eesmärk

Gaasiliste ainete mahu mõõtmine, gaaside segud ja gaasi osarõhk, arvutused gaasidega reaktsioonivõrrandi põhjal.

Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid.

Seade gaasi mahu mõõtmiseks, väike mõõtesilinder, filterpaber, termomeeter, baromeeter, 10%-ne soolhappelahus, 5,0 kuni 10,0 mg metallitükk (Mg või Al).

Kasutatud uurimis- ja analüüsimeetodid ning metoodikad

[Katses leitakse magneesiumi mass reaktsioonis soolhappega eralduva vesiniku mahu põhjal

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

Selles katses kogutakse eralduv vesinik vee kohale, mistõttu vesinik sisaldab ka veeauru ja vastavalt Daltoni seadusele,

millest

– gaasisegu rõhk süsteemis (büretis), mis võrdub õhurõhuga mõõtmishetkel

tuleb vesiniku mahu viimiseks normaaltingimustele kasutada järgmist seost:

Töö käik

Katseseadeldis koosneb kahest kummivoolikuga ühendatud büretist, mis on täidetud veega. Üks bürett on ühendatud katseklaasiga, milles metall reageerib happega .

Katse ettevalmistus. Eemaldada katseklaas ja pesta ning loputada see hoolikalt destilleeritud veega. Sättida büretid ühele kõrgusele ning kontrollida, et vee nivoo oleks mõlemas büretis silma järgi ühel kõrgusel ja büreti keskel. Vajadusel lisada või eemaldada büretist destilleeritud vett.

Ühendada katseklaas tihedalt korgiga (suruda ja veidi keerata näppude vahel, rakendamata liigset jõudu). Tõsta üks büretiharu teisest 15...20 cm kõrgemale ning jälgida paar minutit, kas vee nivoo püsib paigal. Kui nivoo ei muutu, on katseseade hermeetiline ja võib alustada katset. Vastasel juhul kontrollida korke ja voolikuid, et tagada hermeetilisus, ja proovida uuesti.

Viia büretid taas ühele kõrgusele ja eemaldada katseklaas.

Katse. Küsida juhendajalt metallitükk. Metallitükk on keeratud paberisse. Võtta see sealt välja ning mähkida märja filterpaberi sisse (mitte väga tihedalt, sest paber peaks katse käigus avanema).

Mõõta väikese mõõtesilindriga 5...6 ml 10%-st soolhappelahust. Valada hape läbi lehtri katseklaasi nii, et katseklaasi ülaosa ei puutuks happega kokku.

Hoides katseklaasi happega väikese nurga all, asetada metallitükk filterpaberiga katseklaasi seinale umbes 1 cm allapoole avaust. Sulgeda katseklaas hermeetiliselt nii nagu kontrolli ajal, kuid vältida liigutusi, mis võiksid metallitüki happesse kukutada.

Liigutada bürette üles-alla nii, et vee nivood mõlemas büretis oleksid ühes tasapinnas (metallitükk ei tohi veel happega kokku puutuda). Märkida võimalikult täpselt (kaks kohta pärast koma) üles näit ühelt büretilt (V1).

Näidu lugemisel peab silm olema samal tasapinnal vee nivooga, näit võtta meniski kaare madalaimalt kohalt.

Katseklaasi järsult liigutades kukutada metallitükk happesse. Loksutada , et paber võimalikult rohkem avaneks ja jälgida, kuidas reaktsioon algab ning vee nivoo bürettides muutub.

Kui reaktsioon on lõppenud ja nivood enam ei muutu, lasta eraldunud vesinikul 2...3 minutit jahtuda, jälgides, et vee nivoo püsiks enam-vähem paigal. Kui nivoo hakkab nähtavalt muutuma , pole seade hermeetiline ja katse tuleb uuesti sooritada .

Liigutada bürette üles-alla nii, et vee nivood mõlemas büretis oleksid jällegi silma järgi ühes tasapinnas ja lugeda samalt büretilt uus nivoo näit (V2).

Fikseerida õhurõhk ja temperatuur laboris.

Katseandmed.

Vee nivoo büretil enne reaktsiooni: V1=10,11 ml

Vee nivoo peale reaktsiooni: V2=2,01 ml

Eraldunud vesiniku maht: V=|V2–V1|=8,3 ml = 0,0083 l = 0,0083 dm3

Gaasi rõhk büretis: Püld= 102400 Pa

Temperatuur: t°= 293 K

Veeauru osarõhk temperatuuril t°:pH2O= 19,8 mm Hg ⇒ 2639,78 Pa

Magneesiumi molaarmass: MMg=24,3 g/mol

Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs

Arvutada reaktsioonivõrrandit

Mg+2HCl→MgCl2+H2

aluseks võttes eraldunud vesiniku mahu (V2–V1) järgi katseks antud metallitüki mass. Selleks leida veeauru osarõhk toatemperatuuril

Leida vesiniku osarõhk

Viia vesiniku maht normaaltingimustele:

Arvutada vesiniku moolide arv.

Reaktsioonivõrrandist tuleneb, et magneesiumi moolide arv vastab vesiniku moolide arvule suhtega üks ühele (). Arvutada magneesiumi mass.

Arvutada katse absoluutne viga, lähtudes magneesiumi tegelikust massist 7,9 mg ja katseliselt määratud massist

ja suhteline viga.

Kokkuvõte või järeldused.

Katse tegemisel juhindusin 1.laboratoorse töö juhendist. Katsetulemuste põhjal tehtud arvutused andsid magneesiumitüki, mida katses kasutasin, massiks 8,25 mg, magneesiumitüki tegelik mass pidi aga olema 7,9 mg. Tulemuste vahe annab veaprotsendiks 4,43%. Selle põhjuseks võivad olla erinevad asjaolud . Kuna antud katses oli mitu arvutustehet, võib üheks põhjuseks olla kindlasti ümardamised. Teiseks põhjuseks võib olla asjaolu, et büretilt näidu võtmine silmaga mõõtes ei pruugi olla kõige täpsem. Kokkuvõttes arvan, et katse on üsnagi õnnestunud, kuna veaprotsent on suhteliselt väike.