Nr i tytuł ćwiczenia: 2-1 Wyznaczanie gęstości pary i masy molowej metodą Meyera |
|---|
| Imię i nazwisko osoby prowadzącej ćwiczenia: |
| Data wykonania ćwiczenia: |
| Uwagi prowadzącego: |
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie masy molowej oraz gęstości pary 2 substancji metodą Meyera.
Dla wyznaczenia masy molowej można wykorzystać prawo Avogadro, prawa gazowe, a w szczególności prawo gazu doskonałego:
pV=nRT
gdzie:
P - ciśnienie atmosferyczne
V - objętość pary substancji
R - stała gazowa- 8,314 $\frac{J}{mol \bullet K}$
T - temperatura
n - ilość moli gazu
Wiedząc, że $n = \frac{m}{M}$ i podstawiając tę zależność do wzoru otrzymujemy:
$$pV = \frac{m}{M}\text{RT}$$
Przekształcając ten wzór względem M otrzymujemy:
$$M = \frac{\text{mRT}}{\text{pV}}$$
Wydawało by się, że masę molową z tej zależności można wyznaczyć tylko dla substancji gazowych. V. Meyer pokazał jak wykorzystać ten wzór dla substancji ciekłych (lub nawet stałych), o niezbyt wysokich temperaturach wrzenia (sublimacji).
Do wykonania ćwiczenia wykorzystujemy aparat Meyera ze statywami i łaźnią wodną, ampułkę szklaną z korkiem, wagę analityczną, termometr oraz badaną substancję.
Przed rozpoczęciem pomiaru sprawdzamy stan połączeń aparatury oraz uzupełniamy brakującą ciecz w płaszczu ochronnym (gliceryna). W celu zapewnienia równomiernego wrzenia wrzucamy kilka kawałków porcelany lub kapilary szklanej.
Ciecz w łaźni ogrzewamy do wrzenia.
Odczytujemy na termometrze temperaturę i ciśnienie na barometrze.
Ważymy na wadze analitycznej masę pustej ampułki nr 1 z korkiem, następnie umieszczamy w niej 0.05 – 0,15g badanej substancji i znów ważymy na wadze. Pomiary zapisujemy, obliczamy na ich podstawie masę badanej substancji m.
Następnie ampułkę z substancją wprowadzamy do aparatu oraz szybko i bardzo dokładnie zamykamy otwór korkiem.
Mierzymy objętość V wypchniętego powietrza w eudiometrze dopóki ustali się jej stały poziom, wykonujemy pomiary w równych odstępach czasu – ok. półminutowych, zapisujemy je, obliczamy średnią objętość
Objętość V mierzymy pod ciśnieniem: p = b – c, gdzie:
b- ciśnienie atmosferyczne,
c- prężność pary wodnej w temperaturze pomiaru.
W celu utrzymania stałych warunków ciśnienia objętość V odczytujemy po wyrównaniu poziomów wody w eudiometrze i naczyniu.
Ciśnienie atmosferyczne b odczytujemy na barometrze a prężność pary wodnej c w danej temperaturze bierzemy z tabeli.
Dane doświadczalne podstawiamy do wzoru:
$$M = \frac{\text{mRT}}{\text{pV}}$$
po wstawieniu p=b-c, obliczamy masę molową M badanej substancji zgodnie ze wzorem:
$$M = \frac{\text{mRT}}{\left( b - c \right)V}$$
Znając masę molową badanej substancji, obliczmy gęstość pary badanej substancji w temperaturze pomiaru:
$$d = \frac{\left( b - c \right)M}{\text{RT}} = \frac{m}{V}$$
SUBSTANCJA 1:
m pustej ampułki= 2,2341g
m ampułki z substancją= 2,3127g
m substancji= 2,3127g- 2,2341g= 0,0786g
T= 297,15K
b=1017hPa= 101700 Pa
c=2593,36 Pa
p= b-c= 101700Pa- 2593,36 Pa= 99106,64 Pa
VŚR=14,76cm3=1,476 ∙10-5m3
$$M = \frac{\text{mRT}}{(b - c)V}$$
$$M = \frac{0,0786g \bullet 8,314\frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 297,15K}{99106,64\frac{N}{m^{2}} \bullet 1,476\ \bullet 10^{- 5}m^{3}} = 132,7453g \bullet \text{mol}^{- 1}$$
$$d = \frac{\left( b - c \right)M}{\text{RT}} = \frac{m}{V}$$
$$d = \frac{\left( 101700 - 2593,36\frac{N}{m^{2}} \right) \bullet 132,7453\frac{g}{\text{mol}}}{8,314\frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 297,15K} = 5,3252g \bullet \text{dm}^{- 3}$$
SUBSTANCJA 2:
m pustej ampułki= 2,2366g
m ampułki z substancją= 2,3948g
m substancji= 2,3948g- 2,2366g= 0,1582g
T= 297,15K
b=1017hPa= 101700 Pa
c=2593,36 Pa
p= b-c= 101700Pa- 2593,36 Pa= 99106,64 Pa
VŚR=24,0667cm3= 2,40667∙10-5m3
$$M = \frac{\text{mRT}}{(b - c)V}$$
$$M = \frac{0,1582g \bullet 8,314\frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 297,15K}{99106,64\frac{N}{m^{2}} \bullet 2,4067\ \bullet 10^{- 5}m^{3}} = 163,86g \bullet \text{mol}^{- 1}$$
$$d = \frac{\left( b - c \right)M}{\text{RT}} = \frac{m}{V}$$
$$d = \frac{\left( 101700 - 2593,36\frac{N}{m^{2}} \right) \bullet 163,86\frac{g}{\text{mol}}}{8,314\frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 297,15K} = 6,5734g \bullet \text{dm}^{- 3}$$
Na podstawie wykonanych doświadczalnie pomiarów obliczyliśmy masy molowe i gęstości badanych substancji, które wynosiły:
M substancji 1= 132, 7453g • mol−1
d substancji 1= 5, 3252g • dm−3
M substancji 2= 163, 86g • mol−1
d substancji 2= 6, 5734g • dm−3
Ćwiczenie wykazało, że znając objętość wynikającą z pomiarów oraz warunki atmosferyczne panujące w pomieszczeniu badawczym możemy obliczyć gęstość pary i masę molową badanej przez nas substancji.