Keemia aluste protokoll 1: Ideaalgaaside seadused (0)

Eksperimentaalne töö 1
Süsinikdioksiidi molaarmassi määramine
Töö ülesanne ja eesmärk
Gaaside saamine laboratooriumis, seosed gaasiliste ainete mahu, temperatuuri ja rõhu vahel, gaasiliste ainete molaarmassi leidmine. Antud töös kasutatakse aja ja reaktiivide kokkuhoiu mõttes süsinikdioksiidi balloonist.
Sissejuhatus
Ideaalgaaside seadused
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)
  
• rõhk 101 325 Pa (1,0 atm; 760 mm Hg)
  

Viimasel ajal soovitatakse kasutada gaaside mahu väljendamiseks ka nn standardtingimusi1:

• temperatuur 273,15 K (0 °C)
  
• 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 /mol, siis standardtingimustel
Põhilised ideaalgaaside seadused
Boyle 'i seadus. Konstantsel temperatuuril on kindla koguse gaasi maht (V) pöördvõrdelises sõltuvuses rõhuga (P).
PV = const1.1
1.2
Charles'i seadus. Konstantsel rõhul on kindla koguse gaasi maht võrdelises sõltuvuses temperatuuriga
const 1.3
1.4
Kombineerides saab
1.5
Seost 1.5 kasutatakse gaaside mahu viimiseks ühtedelt tingimustelt (rõhk , temperatuur ) teistele (, ), sealhulgas ka normaal - või standardtingimustele
1.6
kus
on gaasi maht normaal- või standardtingimustel,
normaal- või standardtingimustele vastav rõhk (sõltuvalt valitud ühikutest),
normaal- ja standardtingimustele vastav temperatuur kelvinites (mõlemal juhul 273 K), P ja T aga rõhk ja temperatuur, mille juures maht V on antud või mõõdetud.
Ühe mooli gaasilise aine korral
= const = R 1.7
R – universaalne gaasikonstant
n mooli gaasi kohta kehtib seos
ehk 1.8
Clapeyroni võrrand 1.9
Valemeid 1.8 ja 1.9 kasutatakse gaasi mahu leidmiseks temperatuuril T ja rõhul P, kui on teada gaasi moolide arv või mass.
Järgmiste ühikute korral – rõhk P [Pa]; mass m [g]; moolide arv n [mol]; maht V []; temperatuur T [K] on universaalse gaasikonstandi väärtus R = 8,314 J/mol ⋅ K.
Daltoni seadus. Keemiliselt inaktiivsete gaaside segu üldrõhk võrdub segu moodustavate gaaside osarõhkude summaga . Osarõhk on rõhk, mida avaldaks gaas , kui teisi gaase segus poleks.
Näiteks sisaldab õhk mahuliselt 21% hapnikku ja 79% lämmastikku. Kui üldrõhk on 1,0 atm, siis hapniku osarõhk = 0,21 atm ja lämmastiku osarõhk
= 0,79 atm. Üldrõhu 750 mmHg korral saame aga hapniku osarõhuks = 0,21 759 = 157 mmHg. Osarõhk sõltub seega nii üldrõhust kui gaasi sisaldusest segus.
Moolimurd – segu ühe komponendi moolide arv jagatud kõikide segus olevate komponentide moolide arvu summaga
1.10
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 (V, P, T). Gaasi suhteline tihedus on ühikuta suurus ja näitab, mitu korda on antud gaas teisest raskem või kergem m1 M1
1.11
Suhtelist tihedust väljendatakse tavaliselt õhu suhtes (õhu keskmine molaarmass , arvestades lämmastiku ja hapniku massivahekorda õhus on 28,96 ≈ 29,0 g/mol) või vesiniku (M()= 2,0 g/mol) suhtes
1.12
1.13
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
1.14
Gaasi absoluutne tihedus normaaltingimustel ehk 1 kuupdetsimeetri gaasi mass normaaltingimustel
= g/ 1.15
Näiteks:

• õhu tihedus = 29/22,4 = 1,29 g/dm3,
  
• veeauru tihedus = 18/22,4 = 0,80 g/dm3
  

Veeauru väiksem tihedus, võrreldes õhuga , selgitab ka, miks õhurõhk niiskete õhumasside lähenemisel langeb.
Kippi aparaat
Klassikaliselt saadakse mitmeid gaase laboratooriumis Kippi aparaati kasutades. Kippi aparaat koosneb kolm est klaasnõust (vt joonist).
saamiseks pannakse keskmisse nõusse (2) lubjakivitükikesi. Soolhape valatakse ülemisse nõusse (1), millest see voolab läbi anuma keskel oleva toru alumisse nõusse (3) ja edasi läbi kitsenduse (4), mis takistab lubjakivitükkide sattumist alumisse nõusse, keskmisse nõusse (2). Puutudes kokku lubjakiviga, algab
eraldumine
Tekkiv
väljub kraani (5) kaudu. Kui kraan sulgeda, siis
rõhk keskmises nõus tõuseb ja hape surutakse tagasi alumisse ning toru kaudu ka osaliselt ülemisse nõusse. Kui hape on keskmisest nõust välja tõrjutud, reaktsioon lakkab. Puhta
saamiseks tuleks see juhtida veel läbi absorberi(te) (6), mille ülesanne on siduda HCl aurud ja niiskus. Antud töös kasutatakse aja ja reaktiivide kokkuhoiu m õttes süsinikdioksiidi balloonist.
Kasutatud töövahendid
300 ml korgiga varustatud seisukolb, balloon , 250 ml mõõtesilinder, termomeeter , baromeeter , tehnilised kaalud.
Kasutatud ained
Süsihappegaas (CO2), vesi .
Kasutatud uurimis - ja analüüsimeetodid ning metoodikad
Kaaluda tehnilistel kaaludel korgiga varustatud 300 ml kuiv kolb (mass m1). Kolvi kaelale teha märge korgi alumise serva kohale.
Juhtida balloonist 7..8 minuti vältel kolbi süsinikdioksiidi. Jälgida, et voolik ulatub kolvi põhjani, aga ei oleks tihedalt vastu põhja.
Kolb sulgeda kiiresti korgiga ja kaaluda uuesti. Juhtida balloonist 1..2 minuti vältel kolbi jälle süsinikdioksiidi, et saada konstantne mass (m2). Kolvi mahu määramiseks täita kolb veega eelnevalt tehtud märkeni ja mõõta vee maht mõõtesilindri abil.
Fikseerida katse sooritamise momendil rõhk ja temperatuur laboris baromeetri ja termomeetri abil.
Katseandmed
Mass m1 (kolb, kork , õhk kolvis) m1 = 145,76 g
Mass m2 (kolb, kork, CO2 kolvis) m2 = 145,90 g
Kolvi maht (õhu maht, CO2 maht) V = 304 ml = 0,304 l
Õhutemperatuur
= 295,15 K
Õhurõhk P = 102 000 Pa
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs

Arvutada, milline oleks õhu (CO2) maht kolvis normaaltingimustel (V0). Kasutada gaaside tiheduse valemit 1.15 ja teades õhu keskmist molaarmassi, leida õhu tihedus normaaltingimustel ning selle kaudu õhu mass kolvis ( mõhk ):
V0 =
= 1,29 g/dm3
mõhk =õhkV0
mõhk = 1,290,28321455 l = 0,365346769 g ~ 0,37 g

Arvutada kolvi ning korgi mass (m3) vahest:
m3 = m1 - mõhk = 145,76 g - 0,37 g = 145,39 g

Arvutada CO2 mass (m(CO2)) vahest:
m) = m2 - m3 = 145,90 - 145,39 = 0,51 g

Leitud süsinikdioksiidi ning õhu massidest mCO2 ja mõhk arvutada süsinikdioksiidi suhteline tihedus (D) õhu suhtes (1.11):
D = =
= 1,38

Ning selle kaudu süsinikdioksiidi molaarmass M) (valemid 1.12 ja 1.14):
M(CO2) = Dõhk 29,0 = 1,38 29 = 40,02 g/mol

Arvutada katse süstemaatiline viga, lähtudes CO2 tegelikust molaarmassist 44,0 g/mol ja katseliselt määratud molaarmassist M(CO2):
= M(CO2) – 44,0 g/mol = 40,02 – 44,0 = -3,98

ja suhteline viga:
= 9,05%

Leian süsinikdioksiidi molaarmassi kasutades ka muid lahenduskäike:

moolide arvu kaudu:
n() =
= 0,0125 mol
M() =
= 40,8 g/mol

kasutades Clapeyroni võrrandit:
P V = R T
M =
~ 40,36 g/mol
Kokkuvõte
Katse eesmärgiks oli hinnata, kui palju erineb katses mõõdetava süsinikdioksiidi molaarmass tegelikust molaarmassist, milleks on 44,0 g/mol.

• Katse põhjal tuli molaarmassiks esimese arvutuskäigu järgi 40,02 g/mol.
  
• Teise arvutuskäigu järgi tuli molaarmassiks 40,8 g/mol.
  
• Kolmanda arvutuskäigu ehk Clapeyroni võrrandi järgi tuli selleks 40,36 g/mol.
  

Ebatäpsused võisid tulla arvutustesse sisse, kas arvutamisel ümardamise tõttu või katse käigus mõningatel juhtudel, nt. kolvi mahu mõõtmisel mõõtesilindriga. Kuna esimese ja teise arvutuskäigu tulemused olid sarnased päris molaarmassiga saab selliseid katseviise kasutada gaaside molaarmasside arvutamiseks.
Eksperimentaalne töö 2
Metalli massi määramine reaktsioonis eralduva gaasi mahu järgi
Töö ülesanne ja eesmärk
Gaasiliste ainete mahu mõõtmine, gaaside segud ja gaasi osarõhk, arvutused gaasidega reaktsioonivõrrandi põhjal.
Kasutatud mõõteseadmed
Seade gaaside mahu mõõtmiseks, väike mõõtesilinder, termomeeter, baromeeter.
Kasutatud töövahendid
Filterpaber
Kasutatud ained
10%-ne soolhappelahus, 5,0…10,0 mg metallitükk (Mg).
Kasutatud uurimis- ja analüüsimismeetodid ning metoodikad
Katses leitakse magneesiumi või alumiiniumi mass reaktsioonis soolhappega eralduva vesiniku mahu põhjal.
Mg + 2HCl  MgCl2 + H2
2Al + 6HCl  2AlCl3 + 3H2
Selles katses kogutakse eralduv vesinik vee kohale, mistõttu vesinik sisaldab ka veeauru ja vastavalt Daltoni seadusele
Püld = pH2 + pH2O
millest
pH2 = Püld – pH2O
Püld – gaasisegu rõhk süsteemis ( büretis ), mis võrdub õhurõhuga mõõtmishetkel tuleb vesiniku mahu viimiseks normaaltingimustele viimiseks kasutada järgmist seost:
V0 =
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 ühel 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, jägides, 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. Arvutada reaktsioonivõrrandit aluseks võttes eraldunud vesiniku mahu (V2-V1) järgi katseks antud metallitüki mass. Vesiniku mahu viimisel normaaltingimustele arvestada eespool toodud juhiseid.
Katseandmed
Vee nivoo büretil enne reaktsiooni V1 = 13,1 ml
Vee nivoo peale reaktsiooni V2 = 21,3 ml
Eraldunud vesiniku maht V = | V2 – V1 | = 8,2 ml = 0,0082 l
Gaasi rõhk büretis Püld = 102 000 Pa
Temperatuur t° = 295,15 K
Veeauru osarõhk temperatuuril t° pH2O = 19,8 mm/Hg = 2639,78 Pa
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs
Temperatuur normaaltingimustel T0 = 273,15 K
Rõhk normaaltingimustel P0 = 101 325 Pa
Püld = gaasisegu rõhk süsteemis = õhurõhk mõõtmishetkel
V0 =
V0 = = 0,0079 l
x =
= 0,008505 g = 8,51 mg (antud Mg tüki tegelik mass oli 8,3 mg)
Kokkuvõte
Katse eesmärgiks oli leida magneesiumi tükikese mass katses eralduva vesiniku hulga järgi. Katse põhjal tuli magneesiumi massiks 8,51 mg, kuid tegelik antud Mg tüki mass oli 8,3 mg. Vastuste erinevuse võis tingida see, et büretid polnud algselt üles kõrgusel, seega katseseade ei olnud heritmeetiline.
1 Ingliskeelne lühend STP – standard temperature and pressure tähistab siiani valdavalt normaaltingimusi 101 325 Pa ja 273,15 K.