Laboratoorne töö 1- ideaalgaaside seadused (Keemia alused) (0)

Laboratoorne töö 1
Ideaalgaaside seadused
Sissejuhatus
Gaasilises olekus aine moleklid täidavad ühtlaselt kogu ruumi, molekulid on pidevas korrapäratus soojusliikumises. Molekulidevahelised kaugused on suured, mistõttu jõud nende vahel on väikesed ja jäetakse sageli arvestamata- ideaalgaas .
Gaasiliste ainete mahtu mahtu väljendatakse tavaliselt kokkuleppeliselt nn normaaltingimustel:

• Temperatuur 273,15 K (0 oC)
  
• Rõhk 101 325 Pa (1,0 atm; 760 mm Hg)
  

Aga gaasiliste ainete mahtu võib väljendada ka standardtingimustel:

• Temperatuur 273,15 K (0 oC)
  
• Rõhk 100 000 Pa (0,987 atm; 750 mm Hg)
  

Boyle ’i – Marionette’i seadus
Konstantsel temperatuuril on kindla koguse gaasi maht (V) pöördvõrdelises sõltuvuses rõhuga (P).
P1 V2
── = ── P V = const
P2 V1
Gay – Lussac ’i seadus
Konstantsel rõhul kindla koguse gaasi maht on võrdelises sõltuvuses temperatuuriga.
V V1 V2
── = const ── = ──
T T1 T2
Kombineerides saab
P1 V1 P2 V2 P0 V0
─── = ──── = ───
T1 T2 T0
Seda seost kasutatakse mahu viimiseks ühtedelt tingimustelt teistele, sealhulgas ka normaal - või standartingimustele.
P - rõhk, mille juures antud maht (V) on mõõdetud
T - temperatuur, mille juures antud maht (V) on mõõdetud
V- gaasi maht
V0- Normaal- või standardtingimustele vastav gaasi maht
P0- normaal- või standardtingimustele vastav rõhk
T0- normaal- või standardtingimustele vastav temperatuur (273,15 K)
Clapeyroni võrrand
P V= n R T
m
P V = ── R T
M
Universaalse gaasikonstandi väärtuse leidmine:
P0 Vm0 101 325 Pa * 0,0224138 m3
R = ──── = ───────────────── = 8,314 J/mol * K
T0 273,15 K * mol
R = 0,082 atm * l * mol-1 * K-1
R = 62 400 mm Hg * cm3 * mol-1* K-1
Daltoni seadus
Keemiliselt inaktiivsete gaaside segu üldrõhk võrdub segu moodustavate gaaside osarõhkude summaga . Osarõhk on rõhk, mida avaldaks gaas , kui teisi gaase segus poleks.
Püld = P1 + P2 + ... = ƩPi
Pi = Püld * Xi
Xi – vastava gaasi moolimurd segus
Gaasi suhteline tihedus - ühe gaasi massi/ molaarmassi (m1/ M1) suhe teise gaasi massi/ molaarmassi (m2/ M2) samadel tingimustel (V, P, T). Gaasi suhteline tihedus on ühikuta suurus ja näitab, mitu korda on antud gaas teisest raskem või kergem.
m1 M1
D = ─── = ───
m2 M2
Suhtelist tihedust väljendatakse tavaliselt õhu suhtes (õhu keskmine molaarmass , arvestades lämmastiku ja hapniku massivahekorda õhus on 28,96 ≈ 29,0 g/mol).
Mgaas
Dõhk = ────
29,0
Gaasi absoluutne tihedus – normaaltingimustel ehk 1 kuupdetsimeetri gaasi mass normaaltingimustel
Mgaas [ g/mol ]
Ρ0 = ──────────── g/dm3
22,4 [ dm3/mol ]
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
Kasutatud uurimis - ja analüüsimeetodid ning metoodikad
Kaalusin tehnilisel kaalul korgiga varustatud ≈ 300 ml kuiva kolvi, mille massiks on m1. Kolvi kaelale tegin viltpliiatsiga märke korgi alumise serva kohale.
Juhtisin balloonist 7-8 min vältel kolbi süsinikdioksiidi. Sulgesin kolvi kiiresti korgiga ja kaalusin uuesti. Juhtisin kolbi 1-2 min vältel täiendavalt süsinikdioksiidi, sulgesin kolvi korgiga ning kaalusin veelkord . Kolvi täitmist jätkasin konstantse massi m2 saavutamiseni.
Kolvi mahu (seega ka temas sisalduva gaasi mahu) määramiseks täitsin kolb märgini toatemperatuuril oleva veega ja vee mahu mõõtsin mõõtesilindri abil.
Fikseerisin katse sooritamise momendil termomeetri ja baromeetri abil õhutemperatuur ja õhurõhk laboris.
Katseandmed
mass m1 ( kolb + kork + õhk kolvis) m1 = 138,73 g
mass m2 (kolb + kork + CO2 kolvis) m2 = 138, 90 g
kolvi maht (õhu maht, CO2 maht) V = 249 + 56 = 305 (ml) = 0,305 (l)
õhutemperatuur T = 21 oC = 21 + 273,15 = 294, 15 (K)
õhurõhk P = 101,7 kPa = 101 700 Pa
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs
Õhu (CO2) maht kolvis normaaltingimustel (V0):
P V T0
V0 = ──────
P0 T
101 700 * 0,305 * 273,15
V0 = ──────────────── ≈ 0,284 (l)
101 325 * 294,15
Õhu tihedus normaaltingimustel:
Mgaas 29
ρ0 = ────── ρ0õhk = ─── = 1,29 g/dm3
22,4 22,4
Õhu mass kolvis:
mõhk = ρ0õhk * V0 mõhk = 1,29 * 0,284 = 0,366 (g)
Kolvi ja korgi mass m3:
m3 = m1 - mõhk m3 = 138,73 – 0,366 = 138,364 (g)
CO2 mass:
mCO2 = m2 – m3 mCO2 = 138,90 – 138,364 = 0,536 (g)
CO2 suhteline tihedus (D) õhu suhtes:
mCO2 0,536
D = ───── D = ──── ≈ 1,46
mõhk 0,366
CO2 molaarmass :
MCO2 = D * 29,0 MCO2 = 1,46 * 29,0 = 42,34 (g/mol)
Süstemaatiline viga:
∆ = MCO2 – 44,0 g/mol ∆ = 42,34 – 44,0 = -1,66
Suhteline viga:
│MCO2 – 44,0│* 100%
∆% = ─────────────── %
44,0
│42,34 – 44,0│* 100%
∆% = ─────────────── = 3,78 (%)
44,0
CO2 molaarmassi leidmine kasutades muid lahenduskäike

Moolide arvu kaudu
V0CO2 = 0,284 l
V0 0,284
n = ─── n = ──── = 0,0127 (mol)
Vm 22,4
m 0,536
n = ── MCO2 = ───── = 42,2 (g/mol)
M 0,0127
b) Kasutades Clapeyroni võrrandit
m m R T
P V = ── R T MCO2 = ─────
M P V
0,536 * 8,314* 294,15
MCO2 = ────────────── = 45,4 (g/mol)
101 700 * 0,000284
Järeldused
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 42,34 g/mol. Ja selle järgi tuli ka suhteline viga 3,78 %. Moolide arvu kaudu arvutades tuli molaarmassiks 42,2 g/mol ja Clapeyroni võrrandi järgi tuli selleks 45,4 g/mol.
Viga võis tekkida sellest, et kolb ei täitunud maksimaalselt süsinikdioksiidiga, kuna juba korgi peale panekul ju osa sellest süsinikdioksiidist läks välja. Aga ka ebatäpsused võisid tulla kolvi mahu mõõtmisel mõõtesilindriga.
Kindlasti on mingis osas süüdi ka arvutamisel ümardamine , sest tuli teha päris palju tehteid ja iga tehte lõpus sai vastust ümardatud.
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.
Kasutatavad ained
10%-ne soolhappelahus (HCl); 50 - 100 mg magneesiumi tükk
Töövahendid
Seade gaasi mahu mõõtmiseks; väike mõõtesilinder; filterpaber; termomeeter; baromeeter
Kasutatud uurimis- ja analüüsimeetodid ning metoodikad
Katse ettevalmistamise käigus kontrollisin , et seade oleks hermeetiline.
Katse käigus sain juhendajalt magneesiumi tüki (nr 197), mille mähkisin märja filterpaberi sisse. Väikese mõõtesilindriga mõõtsin 5-6 ml 10%-st HCl lahust ja valasin happe läbi lehtri katseklaasi.
Hoidsin katseklaasi väikese nurga all ja panin 1 cm alla avaust selle metallitüki filterpaberis ning sulgesin katseklaasi hermeetiliselt . Liigutasin bürette nii, et vee nivood mõlemas büretis oleksid ühel tasapinnal . Märkisin võimalikult täpselt üles näidu ühelt büretilt (V1).
Katseklaasi järsult liigutades kukutasin magneesiumi tüki hapesse. Loksutasin, et paber võimalikult rohkem avaneks ja jälgisin, kuidas vee nivoo bürettides muutus.
Kui reaktsioon oli lõppenud ja nivood enam ei muutunud, siis lasin eraldunud vesinikul paar minutit jahtuda. Seejärel liigutasin jälle bürette, et need oleks silma järgi ühel tasapinnal ja lugesin samalt büretilt uue nivoo näidu (V2).
Fikseerisin õhurõhu ja temperatuuri laboris.
Katseandmed
Vee nivoo büretil enne reaktsiooni V1 = 16,45 ml
Vee nivoo peale reaktsiooni V2 = 24,69 ml
Eraldunud vesiniku maht V = │V2 – V1│= 24,69- 16,45 = 8,24 ml
Õhurõhk Püld = 101,7 kPa = 101 700 Pa
Temperatuur T = 22 oC = 22 + 273,15 = 295,15 (K)
19,8 * 101 325
Veeauru osarõhk temperatuuril T PH20= 19,8 mm Hg = ───────── = 2639,8 Pa
760
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs
Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2
Püld = PH2 + PH2O PH2 = Püld – PH2O
PH2 = 101 700 – 2639,8 = 99 060,2 (Pa)
Vesiniku mahu viimine normaaltingimustele:
( Püld – PH20 ) * V * T0
V0 = ──────────────
P0 * T
99 060,2 * 8,24 * 273,15
V0 = ──────────────── = 7,46 (ml) = 0,00746 (l)
101 325 * 295,15
V 0,00746
n = ── nH2 = ─────── = 3,3*10-4 (mol)
Vm 22,4
m = n * M
mMg = 3,3*10-4*24,3 = 8,02 * 10-3 (g) = 8,02 (mg)
Süstemaatiline viga:
∆ = mMg – 8,7 ∆ = 8,02 – 8,7 = -0,68
Suhteline viga:
│mMg– 8,7│* 100%
∆% = ─────────────── %
8,7
0,68 *100%
∆% = ──────── = 7,8%
8,7
Järeldused
Katse eesmärgiks oli leida magneesiumi tükikese mass katses eralduva vesiniku hulga järgi.
Katse tulemustest selgus, et magneesiumi mass on 8,0 mg, aga päriselt peaks selle mass olema 8,7 mg. Seega leidsin, et suhteline viga on 7,8%.
Ebatäpsed vastused võisid tulla sellepärast, et vaatasin büretilt nivoo näitu natuke valesti. Ning mingi viga tuleb alati ka, kui on vaja teha midagi hermeetilises keskkonnas, sest täiesti 100% hermeetilist keskkonda on üpriski võimatu saada.