Keemia aluste Protokoll 1 (1)

TTÜ keemiainstituut
Anorgaanilise keemia õppetool
YKI0020 Keemia alused
Laboratoorne töö nr.
Töö pealkiri:
Õpperühm:
Töö teostaja :
Õppejõud:
Töö teostatud:
Protokoll esitatud:
Protokoll arvestatud:

LABORATOORNE TÖÖ 1

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:
temperatuut
273,15 K (0 ˚C)
rõhk
101 325 Pa (1,0 atm; 760 mm Hg)
Avogadro seadus. Kõikide gaaside võrdsed ruumalad sisaldavad ühesugusel temperatuuril ja rõhul võrdse arvu molekule (või väärisgaaside korral aatomeid).
Normaaltingimustel on 1,0 mooli gaasi maht ehk molaarruumala Vm = 22,4 dm3/mol.
Põhilised ideaalgaaside seadused
Boyle’i seadus
Konstantsel temperatuuril on kindla koguse gaasi maht (V) pöördvõrdelises sõltuvuses rõhuga (P).
PV = const
Gay – Lussac ’i seadus
Konstantsel rõhul on kindla koguse gaasi maht võrdelises sõltuvuses temperatuuriga.
Kombineerides saab
Seost 1.5 kasutatakse gaaside mahu viimiseks ühtedelt tingimustelt (rõhk P1, temperatuur T1) teistele (P2, T2), sealhulgas ka normaal - või standardtingimustele
kus V0 on gaasi maht normaal- või standardtingimustel, P0 normaal- või standardtingimustele vastav rõhk (sõltuvalt valitud ühikutest), T0 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.

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 mm Hg korral saame aga hapniku osarõhuks = 0,21⋅750 = 157,5 mm Hg. Osarõhk
sõltub seega nii üldrõhust kui gaasi sisaldusest segus.
…
– vastava gaasi moolimurd segus
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
Suhtelist tihedust väljendatakse tavaliselt õhu suhtes (õhu keskmine molaarmass, arvestades lämmastiku ja hapniku massivahekorda õhus on 28,96 ≈ 29,0 g/mol) või vesiniku (= 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 tihedus normaaltingimustel ehk 1 kuupdetsimeetri gaasi mass normaaltingimustel
Näiteks
õhu tihedus
ρ0 = 29/22,4 = 1,29 g/dm3
veeauru tihedus
ρ0 = 18/22,4 = 0,80 g/dm3
Veeauru väiksem tihedus, võrreldes õhuga, selgitab ka, miks õhurõhk niiskete õhumasside lähenemisel langeb.

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.

Töövahendid

CO2 balloon , 300 ml korgiga varustatud seisukolb, tehnilised kaalud, 250 ml mõõtesilinder, termomeeter , baromeeter ning CO2, õhk ja vesi.

Töö käik

Kaalun tehnilistel kaaludel korgiga varustatud ~300 ml kuiv kolb (mass m1). Kolvi kaelale teen viltpliiatsiga märke kolvi alumise serva kohale.
Juhin balloonist 7…8 minuti vältel kolbi süsinikdioksiidi. Jälgin, et vooliku ots ulatuks peaaegu kolvi põhjani, aga ei oleks tihedalt vastu põhja. Muidu võib juhtuda, et kogu CO2 väljub voolikukimbu teistest harudest.
Sulgen kolvi kiiresti korgiga ja kaalun uuesti. Juhin kolbi 1…2 minuti vältel täiendavalt süsinikdioksiidi, sulgen kolvi korgiga ning kaalun veelkord . Jätkan kolvi täitmist konstantse massi (mass m2) saavutamiseni. (Masside m2 ja m1 vahe on tavaliselt vahemikus 0,17... 0,22 g.)
Kolvi mahu (seega ka temas sisalduva gaasi mahu) määramiseks täidan kolvi märgini toatemperatuuril oleva veega ja vee mahu mõõdan mõõtesilindri abil.
Fikseerin katse sooritamise momendil termomeetri ja baromeetri abil õhutemperatuuri ja õhurõhu laboris.

Katsetulemused

mass m1 (kolb + kork + õhk kolvis) m1= 147,92 g
mass m2 (kolb + kork + CO2 kolvis) m2= 148,14 g
kolvi maht (õhu maht, CO2 maht) V= 320 ml
õhutemperatuur T0= 294,15 K
õhurõhk P= 101 325 Pa

Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs

Arvutasin milline on õhu (CO2) maht kolvis normaaltingimustel (V0).
Kasutades gaaside tiheduse valemit ja teades õhu keskmist molaarmassi, leian õhu tiheduse normaaltingimustel (P0) ning selle kaudu õhu massi kolvis (mõhk).
Arvutan kolvi ning korgi massi (m3) vahest
m3 = m1 – mõhk m3 = 147,92 g – 0,388 g = 147,53 g
ja CO2 mass () vahest

Leian süsinikdioksiidi ning õhu massidest
ja
arvutan süsinikdioksiidi suhtelise tiheduse (D) õhu suhtes ning selle kaudu süsinikdioksiidi molaarmassi

Kokkuvõte ja järeldused

Arvutan katse süstemaatilise vea, lähtudes CO2 tegelikust molaarmassist 44,0 g/mol ja katseliselt määratud molaarmassist

Ja suhteline viga:

Leian süsinikdioksiidi molaarmassi, kasutades muid lahenduskäike:

moolide arvu kaudu ()
V0 = 0,3011 dm3 ja M(CO2) = 44 g/mol
Arvutan süstemaatilise vea:

kasutades Clapeyroni võrrandit
R = 8314 J/mol · K
Arvutan süstemaatilise vea:
Töö eesmärk sai täidetud. Kasutades erinevaid meetodeid CO2 molaarmassi leidmiseks tuli katse süstemaatiline viga vahemikus 3,46% - 4,54%. Eksimus võis tuleneda mõne lähteandme ebatäpsest mõõtmisest.

Eksperimentaalne töö nr. 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.

Töövahendid

Seade gaasi mahu mõõtmiseks, 250 ml mõõtesilinder, filterpaber, termomeeter, baromeeter.

Kasutatud ained

10%-ne soolhappelahus, 6,0 mg metallitükk (Mg)

Töö käik

Katses leian magneesiumi mass reaktsioonis soolhappega eralduva vesiniku mahu põhjal:
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
Katseseadeldis koosneb kahest kummivoolikuga ühendatud büretist, mis on täidetud veega. Üks bürett on ühendatud katseklaasiga, milles metall reageerib happega .

Katse ettevalmistus

Eemaldan katseklaasi ja pesen ning loptutan selle hoolikalt destilleeritud veega. Sätin büretid ühele kõrgusele ning kontrollin , et vee nivoo oleks mõlemas büretis silma järgi ühel kõrgusel ja büreti keskel. Ühendan katseklaasi tihedalt korgiga. Seejärel tõstan ühe büretiharu teisest 15 cm kõrgemale ning jälgin paar minutit, kas vee nivoo püsib paigal. Kui vee nivoo ei muutu, on katseseade hermeetiline ja võin alustada katsega. Viin büretid taas ühele kõrgusele ja eemaldan katseklaasi.

Katse kirjeldus

Küsin juhendajalt metallitüki. Võtan metallitüki paberi seest välja ning mähin selle märja filterpaberi sisse (mitte väga tihedalt, sest paber peab katse käigus avanema). Mõõdan väikese mõõtesilindriga 5-6 ml 10%-st soolhappelahust. Valan happe läbi lehtri katseklaasi nii, et katseklaasi ülaosa oi puutuks happega kokku.
Happega katseklaasi hoian väikese nurga all ning asetan metallitüki filterpaberiga katseklaasi seinale umbes 1 cm allapoole avaust. Sulgen katseklaasi hermeetiliselt nii nagu kontrolli ajal, kuid väldin liigutusi, mis võiksid metallitüki happesse kukutada.
Liigutan bürette üles-alla nii, et vee nivood mõlemas büretis oleksid ühes tasapinnas. Märgin võimalikult täpselt üles näidu büretilt (V1). Näidu lugemisel on mu silm samal tasapinnal vee nivooga ning näidu võtan meniski kaare madalaimalt kohalt.
V1 = 1,4 ml
Katseklaasi järsult liigutades kukutan metallitüki happesse. Loksutan, et paber võimalikult rohkem avaneks ja jälgin, kuidas reaktsioon algab ning vee nivoo bürettides muutub.
Reaktsiooni lõppedes lasen eraldunud vesinikul 2-3 minutit jahtuda, jälgides, et vee nivoo püsiks enam-vähem paigal.
Lõpuks liigutan bürette üles-alla nii, et vee nivood mõlemas büretis oleksid jällegi silma järgi ühes tasapinnas ja loen samalt büretilt uue nivoo näidu (V2).
V2 = 7,8 ml
Fikseerin õhurõhu ja temperatuur laboris. Arvutan reaktsioonivõrrandit aluseks võttes eraldunud vesiniku mahu (V2 – V1) järgi katseks antud metallitüki mass.
V = 7,8 – 1,4 = 6,4 ml

Katsetulemused

Vee nivoo büretil enne reaktsiooni: V1 = 1,4ml
Vee nivoo büretil peale reaktsiooni: V2 = 7,8ml
Eraldunud vesiniku maht: V = |V2 – V1| = 6,4 ml
Gaasi rõhk büretis: Püld = 100900 Pa
Temperatuur: t0 = 21 ºC = 294 K
Veeauru osarõhk temperatuurist t0: pH20 = 18,7 mmHg
* pH2O mmHg = 210C = 18,7 mmHg

*Veeauru osarõhk sõltuvalt temperatuurist

tº
ºC
mm Hg
tº
ºC
mm Hg
tº
ºC
mm Hg
- 10
2,05
17
14,5
24
22,4
- 5
3,01
18
15,5
25
23,8
0
4,58
19
16,5
26
25,2
5
6,60
20
17,5
27
26,7
10
9,2
21
18,7
28
28,4
15
12,8
22
19,8
29
30,1
16
13,6
23
21,1
30
31,9

Katseandemte töötlus ja tulemuste analüüs

Arvutada reaktsioonil eraldunud vesiniku maht normaaltingimustel kasutades valemit:
Leian vesiniku moolide arvu n(H2)
Reaktsioonivõrrandit aluseks võttes arvutan katses reageerinud metallitüki massi (m(Mg))
M(Mg) = 24,3 g/mol
Saan lahenduseks, et metallitüki (Mg) mass on 6,26 mg.

Kokkuvõte ja järeldused:

Küsin õppejõult metallitüki (Mg) tõelise massi, milleks on 6,50 mg ning arvutan süstemaatilise vea.
Süstemaatiline viga:
∆ = 6,50 mg – 6,26 mg = 0,24 mg
Suhteline viga:
∆ = (0,24 mg/6,50 mg) · 100 % = 3,69 %
Vastuste erinevused võisid tekkida mõne väikse vale mõõtmise või ebakorrektsetes tingimustes katse tegemise tagajärjel. Põhjuseks võib olla ka valearvestus.

Kasutatud kirjandus

• „Keemia alused praktikum “ Andres Trikkel