Süsinikdioksiidi molaarmassi määramine (0)

Eksperimentaalne töö 1
Süsinikdioksiidi molaarmassi määramine
Töö eesmärk:
Gaasi CO2 saamine ning tema molaarmassi leidmine.
Töövahendid:
Kippi aparaat või CO2 balloon , 300 ml korgiga varustatud seisukolb, tehnilised kaalud, 250 ml mõõtesilinder, termomeeter, baromeeter .
Klassikaliselt saadakse mitmeid gaase laboratooriumis Kippi aparaati kasutades. Kippi aparaat koosneb kolmest klaasnõust CO2 saamiseks pannakse keskmisse nõusse (2) lubjakivitükikesi. Soolhape valatakse ülemisse nõusse, millest see voolab läbi anuma keskel oleva toru alumisse nõusse ja edasi läbi kitsenduse, mis takistab lubjakivitükkide sattumist alumisse nõusse, keskmisse nõusse. Puutudes kokku lubjakiviga, algab CO2 eraldumine
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
Tekkiv CO2 väljub kraani kaudu. Kui kraan sulgeda, siis CO2 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 CO2 saamiseks tuleks see juhtida veel läbi absorberi(te), mille ülesanne on siduda HCl aurud ja niiskus. Antud töös kasutatakse aja ja reaktiivide kokkuhoiu mõttes süsinikdioksiidi balloonist.
Töö käik
Tehnilistel kaalul kaalun 300 ml kuiva kolvi koos korgiga (mass m1). Teen kolvi kaelale märke korgi alumise serva kohale. Juhin balloonist 7...8 minuti vältel kolbi süsinikdioksiidi. Tähelepanelikult kontrollin , et vooliku ots ulatuks peaaegu kolvi põhjani, aga ei oleks tihedalt vastu põhja. Vastasel korral võib juhtuda, et kogu süsihappegaas väljub voolikukimbu teistest harudest.Sulen kolvi korgiga(võimalikult kiirelt) ja kaalun uuesti. Peale seda juhin kolbi 1...2 minuti vältel veel süsinikdioksiid kuni kolb täitub konstantse massi (mass m2) saavutamiseni. (Masside m2 ja m1 vahe on tavaliselt vahemikus 0,17...0,22 g.) CO2-ga täitunud kolvi mahu m ääramiseks täidan kolvi eelnevalt märgistatud kohani toatemperatuuril oleva veega ja vee mahu mõõdan mõõtesilindri abil. Fikseerin katse sooritamise ajal termomeetri ja baromeetri abil õhutemperatuuri ja õhurõhu laboris.
Katsetulemused
mass m1 (kolb + kork + õhk kolvis) m1 = 152,37 g
mass m2 (kolb + kork + CO2 kolvis) m2 = 152,21 g
m2 - m1 = 141,73 - 141,56 = 0,16 g
kolvi maht (õhu maht, CO2 maht) V = 310 ml = 0,31 dm3
õhutemperatuur t° =22 oC=295,15 K
õhurõhk P = 101700 Pa
normaaltingimustele vastav õhurõhk P0 = 101325 Pa
normaaltingimustele vastav õhutemperatuur T0 = 273,15 K
Arvutan CO2 ruumala V0 normaaltingimustel
V0 =
V0 =0,29 dm3
Selle kaudu arvutan õhu massi kolvis
mõhk = ρ0õhk * V0 = 1,29 g/dm3 *0,29 dm3 = 0,374 g
ρ0 = Mgaas (g/mol) / 22,4 (dm3/mol)
Leian kolvi massi
m3 = m1 – mõhk = 152,37 g – 0,374 g = 151,996 g
Nüüd arvutan välja CO2 massi
mCO2
= m2 – m3 = 152,51 g – 151,966 g = 0,544 g
Kuna CO2 molaarmassi arvutatakse suhtelise tiheduse abil, siis tuleb leida CO2 suhtelise tiheduse õhu suhtes. See on suurus, mis näitab, mitu korda on antud gaas teisest kergem või raskem.
DCO2 =
= 1,45
Antud juhul on suhteline tihedus CO2 massi ja õhu massi omavaheline suhe, siis saame selle ümber teha nende molaarmasside vaheliseks suhteks, teades, et õhu keskmine molaarmass on 29,0 g/mol.
DCO2 =
→M(CO2)=DCO2*M(õhk)
MCO2 = 1,45*29,0 = 42,05 g/mol
Arvutuste kohaselt tuleb välja, et süsinikdioksiidi molaarmass on 42,05 g/mol. Lähtudes molaarmassist, arvutan välja absoluutse vea.
∆ = MCO2 – 44,0 g/mol = 42,05 g/mol – 44,0 g/mol = -1,95 g/mol
Arvutan välja suhtelise vea
∆% = = = 4,31%
Lisaküsimused a ja b

Kuidas leida süsinikdioksiidi molaarmassi moolide arvu järgi?
Kuna süsinikdioksiidi maht on V0 = 0,29 dm3 , siis saab sellest leida moolide arvu lähtudes Avogadro seadusest (kõikide gaaside võrdsed ruumalad sisaldavad ühesugusel temperatuuril ja rõhul võrdse arvu molekule)
n = = = mol
Moolide arvust arvutame molaarmassi
n = = MCO2 = g /0,01326 mol = 41,71 g/mol

Kuidas leida süsinikdioksiidi molaarmass Clayperoni võrrandiga?
P × V = n × R × T ehk P × V =
× R × T
Kuna meil on olemas ruumala (V0), mass (mCO2), mõõdetud õhurõhk (P) ja temperatuur (T) ning teada on, et universaalne gaasikonstant on R=8,314 J/mol × K, siis saame avaldada molaarmassi MCO2
MCO2 =
Kokkuvõte:
Ideaalgaaside seadusi rakendades on võimalik gaasi molaarmassi arvutada välja mitut moodi. Clapeyroni võrrandi kaudu saab kõige täpsema tulemuse, kus suhteline viga on alla 1%. Muul juhul arvutades on suhteline viga alla 6%, mis on üsna väike ja piisavalt täpne selle töö jaoks.
Eksperimentaalne töö 2
Metalli massi määramine reaktsioonis eralduva gaasi mahu järgi
Töö eesmärk
Eesmärgiks on reaktsioonis eralduva gaasi mahu määramine ning selle alusel antud metalli (mis on antud töös magneesium ) massi määramine. Katses pannakse reageerima omavahel magneesium ja 10%-line HCl lahus, mille tulemusel eraldub vesinik .
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 ↑
Katseseadeldise büretid seatakse niiviisi, et vee nivoo mõlemas büretis oleks ühel kõrgusel. Vajadusel võib destilleeritud vett lisada või eemaldada. Et kontrollida, kas katseseade on hermeetiline, ühendada selleks katseklaas tihedalt korgiga ning tõsta üht büretiharu teisest kõrgemale. Kui vee nivoo ei muutu, on seade hermeetiline ning võib alustada katsega ja eemaldada katseklaas.
Magneesium, mis mähitakse niiske filterpaberi sisse, asetatakse katseklaasi seinale, kuhu on valatud 5-6 ml 10%-list HCl lahust, ning ühendatakse hermeetiliselt korgiga. Katseklaasi peab hoidma kerge nurga all, et metallitükk happesse ei kukuks. Seejärel tuleb sättida büretid ühele nivoole (metalli tükk ei tohi endiselt happesse veel kukkuda ) ning märkida näit ühelt büretilt.
Katseklaasi liigutades tuleb lasta metallitükil kukkuda happesse. Jälgida vee nivoode muutumist, kui reaktsioon algab. Reaktsiooni lõppedes jälgida, et nivoo-muutust enam ei toimuks ja lasta vesinikul 2-3 minutit jahtuda. Taaskord tuleb sättida büretid ühele nivoole ning märkida uus näit samalt büretilt üles.
Laboris on vaja fikseerida õhurõhk ja temperatuur ning viia läbi edasised arvutused metallitüki massi arvutamiseks.
Kasutatavad ained

• 10%-ne soolhappelahus
  
• 5,0...10,0 mg metallitükk (Mg)
  

Töövahendid
Magneesiumitükike (5,0-10,0 mg)
10%-line HCl lahus
Aparatuur :
Mõõtesilinder, lehter, filterpaberitükike, katseklaas, 2 büretti, kummivoolik, statiiv , klambrid , ristmuhvid, termomeeter, baromeeter
Töö käik
Saan õppejõult magneesiumitüki nr.
Sätin büretid tööks valmis. Vaatan , et vee nivood oleksid ühel kõrgusel. Kontrollin, kas seade on hermeetiline.
Mõõdan mõõtesilindriga 6 ml 10%-list HCl. Valan happe läbi lehtri katseklaasi nii, et katseklaasi ülaosa ei puutuks happega kokku.
Mähin Mg-tüki niiske filterpaberi sisse.
Ühendan katseklaasi, samal ajal nurga all hoides , et Mg ei puutuks kokku happega, korgiga. Sätin büretid ühele nivoole ning loen ühelt büretilt mõõtetulemuse V1=16,8 ml.
Lasen metallitükil kukkuda happesse ning jälgin reaktsiooni, kus on näha, et hakkab eralduma gaasi. Reaktsiooni lõppedes sätin büretid uuesti ühele nivoole ning märgin uue näidu samalt büretilt V2=24,2 ml.
Loen baromeetril õhurõhu P=101700 Pa ja termomeetrilt temperatuuri T=22o = 295,15 K
Arvutan eraldunud H2 mahu
V(H2) = V2 - V1 = 24,2 ml – 16,8 ml = 7,4 ml= 0,0074 l
Edasi pean arvutama H2 mahu normaaltingimustel, milleks kasutan valemit
V0 =
kus Püld on laboris mõõdetud õhurõhk, sest gaasi rõhk büretis võrdub õhurõhuga, kui vee nivood on samatasapinnalised ja PH2O = 18,7 mm Hg = 2493,13 Pa. Selle väärtuse leiame tabelist, kus on kirjas veeauru osarõhk sõltuvalt temperatuurist. Seega
V0 = = 0,00667 l
Magneesiumi massi leian, kui panen omavahel vastavusse
x g V0
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 ↑
24,3 g/mol 22,4 l/mol
Siit leian x ristkorrutisega
x = = 7,23 mg
Õige kaalutise väärtus oli aga 9,2 mg. Arvutades suhtelise vea, saan protsendiks
Δ% = = 21,41 %,
Kokkuvõte
Antud katse näitas, kuidas reaktsioonist eralduva gaasi põhjal saab üsna lihtsalt määrata reaktsioonis kulunud metalli massi, mõõtes eraldunud gaasi mahtu. Arvutuste tulemus oli antud katse kohta liiga ebatäpne, kuna suhteline viga on 21,41%. Katse võimalik viga võis olla aparatuuri hermeetilisuses, mille tõttu osa eraldunud reaktsiooni gaasist võis aparatuurist välja pääseda, muutes sellega eksperimendi tulemusi.