Тема: определение молярной массы диоксида углерода

 

Равные объемы газов, взятых при одинаковой температуре и оди-наковом давлении, содержат равное число молекул (закон Авогадро). Отсюда следует, что массы равных объемов двух газов относятся друг к другу, как их молекулярные или численно им равные молярные массы:

где m₁ и m₂ – массы газов; M₁ и M₂ – молярные массы этих газов.

Отношение массы данного газа к массе того же объема другого га-за, взятого при той же температуре и том же давлении, называется отно-сительной плотностью первого газа по второму. Например, масса одно-го литра диоксида углерода равна 1,98 г, а масса одного литра водорода при тех же условиях составляет 0,09 г, следовательно, плотность CO₂ по водороду равна:

1,98: 0,09 = 22

Обозначим относительную плотность газа буквой D. Тогда

то есть молярная масса газа равна его плотности по отношению ко второму газу, умноженному на молярную массу второго газа.

Чаще всего плотность газов определяют по отношению к самому лёгкому газу – водороду. Молярная масса водорода равна 2 г/моль, поэтому уравнение для расчета молярных масс газов имеет вид

М = 2 ^. DH₂

Нередко также молярную массу газа вычисляют, исходя из его плотности по воздуху. Хотя воздух представляет собой смесь нескольких газов, известна его средняя молярная масса, равная 29 г/моль. В этом случае уравнение для расчета молярных масс газов имеет вид

М = 29^.Dвозд.

Молярную массу газа можно определить также через молярный объем, равный 22,4 л/моль. Для этого находят объем, занимаемый при нормальных условиях определенной массой газообразного вещества, а затем вычисляют массу 22,4 л этого вещества. Полученная величина является его молярной массой.

Измерения объемов газов обычно проводят при условиях, отличающихся от нормальных. Для приведения объема газа к нормальным условиям (н.у.) используется уравнение Клапейрона:

где V – объем газа при давлении P и температуре T; V₀ – объем газа при нормальном давлении P₀ (101325 Па) и температуре T₀ (273 К).

Молярную массу газа можно также вычислить по уравнению состояния идеального газа (уравнению Клапейрона–Менделеева)

где P – давление газа (Па); V – его объем (м³); m – масса (г); M – молярная масса (г/моль); T – температура (К); R = 8,31 Дж/(моль·К) – молярная газовая постоянная.

Экспериментальная часть

Целью работы является определение молярной массы углекислого газа.

Ход работы.

1. Ознакомиться с установкой для получения углекислого газа в аппарате Киппа (рис. 5) и убедиться в том, что она работает.

2. Колбу закрыть пробкой и отметить чертой уровень, до которого пробка вошла в горло колбы. Взвесить на технохимических весах колбу с пробкой с точностью до 0,02 г (m₁).

3. Наполнить колбу диоксидом углерода из аппарата Киппа. Газ следует пропускать в колбу медленно, так, чтобы можно было считать пузырьки в промывных склянках.

4. Через 5 мин, не закрывая кран у аппарата Киппа, медленно вынуть газоотводную трубку из колбы и тотчас закрыть колбу пробкой; после этого закрыть кран 6.

5. Взвесить колбу с диоксидом углерода на тех же весах и с той же точностью, что и колбу с воздухом (m₂).

6. Измерить рабочий объем колбы V₁, для чего наполнить колбу дистиллированной водой до черты на шейке колбы и замерить объем воды, вылив её в мерный цилиндр.

7. Записать значения атмосферного давления и температуры, при которых проводится опыт, а также уравнение получения углекислого газа при взаимодействии мрамора с соляной кислотой.

	Рис.5. Схема лабораторной установки для получения углекислого газа в аппарате Киппа. 1 – шарообразная воронка, 2, 3 – соединённые между собой резервуары, 4, 5 – тубусы, 6 – кран, 8 – промывная склянка, 9 – склянка Дрекселя для осушки газа, 10 – приёмник углекислого газа.

 

8. Вычислить объем газа V₀ при н. у. по уравнению Клапейрона.

9. Вычислить массу воздуха (m₃) в объеме колбы, учитывая, что при 0 °C и 101,3 кПа масса одного литра воздуха равна 1,293 г.

10. Найти массу пустой (без воздуха) колбы с пробкой:

m₄ = m₁ – m₃

11. Найти массу диоксида углерода в объеме колбы m₅ = m₂ – m₄

12. Определить относительную плотность CО₂ по воздуху:

13. Вычислить молярную массу CO₂ тремя способами:

а) по воздуху:

МCО₂ = 29·Dвозд.

б) по закону Авогадро:

в) по уравнению Клапейрона–Менделеева:

14. Вычислить среднее значение молярной массы углекислого газа с точностью до одного знака после запятой.

15. Определить погрешность опыта, сравнивая среднее опытное значение с теоретической величиной (44,0 г/моль), и оформить отчёт.

Дополнительные задания к лабораторной работе

1. Во сколько раз углекислый газ тяжелее воздуха?

2. В аппарате Киппа для получения СО₂ из мрамора используется соляная кислота. Почему нельзя использовать более дешевую серную кислоту?

3. При постоянном давлении и температуре масса одного литра во-дорода равна 0,082 г, а одного литра воды – 1 кг. Возможно ли опреде-ление плотности воды по водороду? Если невозможно, то почему?

4. Масса одного литра газа равна 2,86 г. Определите его молярную массу.

5. Плотность газа 1,96 г/л. Определите его молярную массу.

6. Установите формулу газообразного вещества, содержащего угле-род (81,82 %) и водород (остальное), масса одного литра которого при нормальных условиях равна 2,6 г.

Лабораторная работа №4

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ И АТОМНОЙ МАССЫ МЕТАЛЛА

Закон эквивалентов гласит: массы взаимодействующих без остатка веществ относятся друг к другу, как их эквивалентные массы:

Эквивалентом называется реальная или условная частица, которая соединяется с одним атомом или ионом водорода, либо замещает его. Реальные частицы – это атомы или молекулы, а условные – их части, например ¹/₂ атома кислорода, ¹/₃ молекулы Н₃РО₄ и т.д. (в действительности таких частиц не бывает). Масса такой частицы (масса эквивалента), выраженная в атомных единицах массы, называется эквивалентной массой, а масса одного моля (6,02·10²³) таких частиц (эквивалентов) называется молярной массой эквивалента. Из этого следует, что эквивалентная масса – относительная величина, при этом сравнение идет с водородом, эквивалент которого – его атом, а эквивалентная масса равна единице.

Пример 1. Один атом хлора соединяется с одним атомом водорода, образуя хлороводород (НСl). Следовательно, эквивалентом хлора является его атом.

Пример 2. Кислород с водородом образует два соединения: Н₂О₂ (пероксид водорода) и Н₂О (вода). В первом соединении эквивалентом кислорода является его атом и эквивалентная масса равна шестнадцати, а во втором – эквивалентом кислорода является ¹/₂ атома и эквивалентная масса равна восьми.

Пример 3. Серная кислота содержит два атома водорода. В реакции замещения одного из них эквивалентом кислоты является её молекула с эквивалентной массой 98, а в реакции замещения двух атомов водорода – половинка молекулы (условная частица) с эквивалентной массой 49.

Эквивалентные массы элементов и соединений используются при выражении концентрации растворов (молярная концентрация эквивалентов), при оценке жесткости воды, в расчетах по электролизу и т. д.

Через эквивалентную массу элемента может быть определена его атомная масса, так как они связаны между собой соотношением:

где В – валентность элемента. При этом эквивалентная масса определяется экспериментально, а атомная масса рассчитывается приблизительно по закону Дюлонга – Пти, который гласит: атомная теплоемкость (т.е. произведение удельной теплоемкости С и атомной массы Аr) простых веществ в твёрдом состоянии примерно одинакова и составляет в среднем около 26 Дж/(моль ⋅ К), то есть C·Ar ≈ 26.

Разделив приблизительную атомную массу на эквивалентную массу, получают валентность элемента, которую округляют до ближайшего целого числа. После этого умножением эквивалентной массы на валентность получают более точное значение атомной массы.

Пример 4. При взаимодействии 59,5 мг металла с серной кислотой выделилось 21,9 мл водорода (объем измерен при температуре 17 °С и давлении750 мм рт. ст.). Удельная теплоемкость металла 0,39 Дж/(г·К). Вычислить атомную массу металла и определить, какой это металл.

Решение. 1) Переводим экспериментальные данные в систему СИ:

V = 21,9 мл = 21,9·10^{-6 м3}

2) По уравнению Клапейрона–Менделеева вычисляем массу водорода:

3) По закону эквивалентов определяем эквивалентную массу ме-талла:

4) По закону Дюлонга и Пти находим приблизительную атомную массу металла:

5) Определяем приблизительное значение валентности

и округляем его до целого числа 2.

6) Рассчитываем точную атомную массу:

Аr = Мэк(Ме)·В = 32,69·2 = 65,38

По периодической системе определяем металл – это цинк.

Экспериментальная часть

Целью работы является установление эквивалентной и атомной массы неизвестного металла и его определение по периодической системе.

Эквивалентная масса металла определяется по водороду, который выделяется при взаимодействии металла с серной кислотой. Теплоемкость металла сообщает преподаватель. Взвешивание металла производится с точностью 0,001 г.

Описание установки. Реакция металла с кислотой проводится на специальной установке, изображенной на рисунке 6.

Перед началом опыта бюретки должны находиться в таком положении относительно друг друга, чтобы уровень воды в них был примерно на середине шкалы отсчета. Отводную трубку (6) и закрывающую ее пробку перед началом опыта насухо вытирают фильтровальной бумагой, после чего

в нее помещают полученный образец металла с известной массой m. Трубку плотно закрывают пробкой, осторожно ввинчивая ее. Прибор проверяют на герметичность. Для этого медленно поднимают или опускают бюретку (2), наблюдая за колебаниями уровня воды в бюретке (3). Если прибор не герметичен, то уровни в обеих бюретках будут выравниваться. В этом случае нужно проверить положение всех пробок и снова проверить прибор.

После проверки прибора на герметичность, уравнивают положение воды в обеих бюретках и отмечают положение уровня в бюретке (3) по нижнему мениску, записывая его значение по градуировочной шкале V₁ с точностью 0,1 см. После чего осторожно сбрасывают металл в кислоту, переводя пробирку (5) из положения (6) в положение (7). По мере понижения уровня воды в бюретке (3) опускают бюретку (2), следя за тем, чтобы уровни в обеих бюретках были приблизительно на одной высоте, что определяет равенство давлений в них.

По окончании процесса растворения металла в кислоте точно выравнивают положение уровней в обеих бюретках и записывают положение уровня в бюретке (3) по шкале V₂ с той же точностью. Объем выделившегося водорода V(H₂) в реакции:

Me + n HCl = MeCl_n + H₂

равен разности уровней V(H₂) = V ₂ – V ₁, имеет размерность см³ и относится к атмосферным условиям (p, T) проведения опыта.

 

Записать значения температуры и давления в таблицу 1, вычислить и записать остальные показатели опыта.

По примеру, приведенному во введении, вычислить эквивалентную массу металла, его валентность и атомную массу.

По примеру, приведенному во введении, вычислить эквивалентную массу металла, его валентность и атомную массу. Таблица 1

Таблица 1

Результаты эксперимента по определению эквивалентной и атомной массы металла

 

№ п/п	Название величины	Обозна-чение	Единица измерения	Значение
	Масса металла	m(Ме)	г	0,09
	Удельная теплоемкость металла	С	Дж/(г⋅К)	0,4
	Начальный уровень воды в бюретке	V1	мл
	Уровень воды после реакции	V2	мл
	Объем водорода	V(H2)	мл
	Температура в лаборатории	t	оC
	Температура по абсолютной шкале	T	K
	Давление по барометру	P	мм рт. ст.
	Давление водяного пара	P(H2O)	мм рт. ст.	22,40
	Давление водорода	P(H2)	мм рт. ст.	678,6
	Давление водорода	P(H2)	Па	90,472

 

При вычислении массы водорода иметь в виду, что в реакции выде-ляется влажный водород и поэтому его давление равно общему давле-нию по барометру за вычетом давления водяного пара (таблица 2):

Р(Н₂) = Р – Р(Н₂О)

Таблица 2

Давление водяного пара при различных температурах

 

t, 0C	P(H2О), кПа	P(H2О), мм рт. ст.	t, 0C	P(H2О), кПа	P(H2О), мм рт. ст.	t, 0C	P(H2О), кПа	P(H2О), мм рт. ст.
	1,226	9,2		1,706	12,8		2,333	17,5
	1,306	9,8		1,813	13,6		2,479	18,0
	1,399	10,5		1,933	14,5		2,639	19,8
	1,493	11,2		2,066	15,5		2,813	21,1
	1,599	12,0		2,199	16,5		2,986	22,4

 

9. По полученной в опыте атомной массе найти данный металл в периодической системе и записать его теоретическое (табличное) значение атомной массы.

10. Вычислить ошибку в определении атомной массы металла по формуле

11. Оформить отчет, сформулировать вывод.

Дополнительные задания к лабораторной работе

1. Приведите определение понятий эквивалент и эквивалентная масса химического элемента и соединения.

2. Эквивалентная масса какого элемента равна 1?

3. Вычислите молярную массу эквивалента элемента, оксид которого содержит 22,2 % кислорода.

4. Чему равна молярная масса эквивалента ортофосфорной кислоты, если 1 моль Н₃РО₄ провзаимодействовал с 1 моль гидроксида калия?

5. Молярная масса эквивалента металла равна 56,2 г/моль. Вычислите массовую долю металла в его оксиде.

6. Какой объем кислорода (н.у.) потребуется для реакции с 15 г элемента, имеющего молярную массу эквивалента 3 г/моль?

Глава вторая.