Prax: CO2 molaarmassi määramine, metalli massi määramine (3)

1) Süsinikdioksiidi molaarmassi määramine
Töö ülesanne ja eesmärk:
Seosed gaasiliste ainete mahu, temperatuuri ja rõhu vahel, gaasiliste ainete molaarmassi leidmine.
Sissejuhatus:
Ideaalgaasis on molekulid pidevas korrapäratus soojusliikumises ning molekulidevahelised jõud on olematud. Gaaside maht sõltub oluliselt temperatuurist ning rõhust. Gaasiliste ainete mahtu väljendatakse tavaliselt normaaltingimustel:
temperatuur 273,15 K (0 °C)
rõhk 101 325 Pa (1,0 atm; 760 mm/Hg)
Gaaside mahu väljendamiseks võib kasutada ka nn standardtingimusi:
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 dm3/mol, siis standardtingimustel Vm = 22,7 dm3/mol.
Põhilised ideaalgaaside seadused:
Boyle’i seadus: Konstantsel temperatuuril on kindla koguse gaasi maht (V) pöördvõrdelises sõltuvuses rõhuga (P).
Charles'i seadus: Konstantsel rõhul on kindla koguse gaasi maht võrdelises sõltuvuses temperatuuri-ga.
Kombineerides saame seose, mida kasutatakse mahu viimiseks ühtedelt tingimustelt teistele, sh. ka normaal - ja standardtingimustele:
kus V0 on gaasi maht normaal- või standardtingimustel, P0 normaal- või standardtingimustele vastav rõhk, 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.
Ühe mooli gaasilise aine korral: PV/T = R , kus R on universaalne gaasikonstant.
n mooli gaasi kohta kehtib seos
PV = nRT (Clayperoni võrrand)
Järgmiste ühikute korral – rõhk P [Pa]; mass m [g]; moolide arv n [mol]; maht V [m3]; 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 pO2 = 0,21 atm ja lämmastiku osarõhk pN2 = 0,79 atm. Üldrõhu 750 mm Hg korral saame aga hapniku osarõhuks pO2 = 0,21⋅750 = 157,5 mm Hg. Osarõhk sõltub seega nii üldrõhust kui gaasi sisaldusest segus.
Moolimurd. Segu ühe komponendi moolide arv jagatud kõikide segus olevate komponentide moolide arvu summaga
Difusioon . Aineosakeste soojusliikumisest tingitud protsess, mis viib kontsentratsioonide ühtlustumisele süsteemis.
Gaasi suhteline tihedus. 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 (MH2 = 2,0 g/mol) suhtes
Dõhk = Mgaas / 29,0
Gaasi absoluutne tihedus normaaltingimustel ehk 1 kuupdetsimeetri gaasi mass normaaltingimustel
ρ 0=Mgaas [g/mol] / 22,4 [dm3/mol] g/dm3
Kasutatud mõõteseadmed:
250 ml mõõtesilinder, termomeeter, baromeeter , tehnilised kaalud
Kasutatud töövahendid:
300 ml korgiga varustatud seisukolb, balloon
Kasutatud ained:
Süsihappegaas (CO₂)
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...8 minuti vältel kolbi süsinikdioksiidi. Jälgida, et vooliku ots ulatuks peaaegu kolvi põhjani, aga ei oleks tihedalt vastu põhja. Kolb sulgeda kiiresti korgiga ja kaaluda uuesti. Juhtida kolbi 1...2 minuti vältel täiendavalt süsinikdioksiidi, sulgeda kolb korgiga ning kaaluda veelkord. Kolvi täitmist jätkata konstantse massi (mass m2) saavutamiseni. 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 = 145,07 g
m₂ = 145,21 g
V = 314 ml
t⁰ = 21⁰
P = 100500 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)
mõhk = ρ0õhk ⋅V0
= 1,295 * 0,29 = 0,3744 g
Arvutada kolvi ning korgi mass (m3) vahest
m3 = m1 – mõhk
= 145,07 – 0,3744 = 144,6956
ja CO2 mass (mCO2) vahest
mCO2 = m2 – m3
= 145,21 – 144,6956 = 0,5144 g
Leitud süsinikdioksiidi ning õhu massidest mCO2 ja mõhk arvutada süsinikdioksiidi suhteline tihedus (D) õhu suhtes ning selle kaudu süsinikdioksiidi molaarmass MCO2
Arvutada katse süstemaatiline viga, lähtudes CO2 tegelikust molaarmassist 44,0 g/mol ja katseliselt määratud molaarmassist MCO2.

Δ = MCO2 – 44,0 g/mol = 39,844 – 44,0 = 4,156
ja suhteline viga
9,5%
Kokkuvõte või järeldused:
Süsihappegaasi molaarmass tuli katseliselt erinev teoreetilisest aatommassist .
2) Metalli massi määramine reaktsioonis eralduva gaasi mahu järgi
Töö ülesanne ja eesmärk:
Mõõta gaasiliste ainete maht, gaaside segud ja gaasi osarõhk, arvutused gaasidega reaktsioonivõrrandi põhjal.
Kasutatud mõõteseadmed:
Seade gaasi mahu mõõtmiseks, väike mõõtesilinder, termomeeter, baromeeter.
Kasutatud töövahendid:
filterpaber
Kasutatud ained:
10%-ne soolhappelahus, 5,0...10,0 mg metallitükk (Mg või Al).
Kasutatud uurimis- ja analüüsimeetodid 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 1.23 millest pH2 = Püld – pH2O 1.24
Püld – gaasisegu rõhk süsteemis (büretis), mis võrdub õhurõhuga mõõtmishetkel
tuleb vesiniku mahu viimiseks normaaltingimustele viimiseks kasutada järgmist seost:
V0 = (Püld - pH2O)⋅V⋅T0 / P0 ⋅ T
Katseseadeldis (vt joonist) 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).
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. Arvutada reaktsioonivõrrandit aluseks võttes eraldunud vesiniku mahu (V2 – V1) järgi katseks antud metallitüki mass. Vesiniku mahu viimisel normaaltingimustele arvestada eespool toodud juhiseid.
Katseandmed:
V = 14,95 vee nivoo büretil enne reaktsiooni
V₂ = 22,45 vee nivoo peale reaktsiooni
t⁰ = 21⁰ =› 294,15 K temperatuur
P = 100,5 * 1000 = 100500 Pa õhurõhk
V = |V₂ - V₁| = 7,5 ml eraldunud vesiniku maht
pH₂O = 18,7 mm/Hg veeauru osarõhk temperatuuril

• Reaktsioon Mg ja 10%-se soolhappelahuse vahel toimub väga kiiresti.
  

Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs:

T⁰ = 273,15 K temperatuur normaaltingimustel
P⁰ = 101325 Pa rõhk normaaltingimustel
Püld = gaasisegu rõhk süsteemis = õhurõhk mõõtmishetkel
(antud Mg tüki tegelik mass on 7,7 mg)
Kokkuvõte või järeldused:
Magneesiumitüki kaal oli suhteliselt lähedane teoreetilisele kaalule, järelikult katse õnnestus. Vea tekke põhjuseks võib olla silmaga sooritatud vaatluste ebatäpsus.
Kasutatud kirjanduse loetelu :
Andres Trikkel , „Keemia alused – praktikum“, TTÜ, 2004