Versuch C2: Gasthermometer

Transkript

1 Physikalisch-chemisches Praktikum für Pharmazeuten Gruppennummer Name Vortestat Endtestat Name Versuch A. Vorbereitungsteil (VOR der Versuchsdurchführung lesen!). Kurzbeschreibung In diesem Versuch werden die Grundlagen der Thermodynamik und des Temperaturbegriffs anhand eines Gasthermometers sowie das Verhalten idealer und realer Gase erarbeitet.. Pharmazeutischer Kontext Die pharmazeutische Chemie ist das Spezialgebiet der Pharmazie, das sich mit den chemischen Eigenschaften von Arzneimitteln im weitesten Sinne beschäftigt. Neben der Analyse von Arzneistoffen ist insbesondere deren Synthese von großer Wichtigkeit. In welchem Umfang eine bestimmte chemische Reaktion zweier oder mehrerer Partner stattfindet, hängt davon ab, wie groß die Differenz der Energie der Produkte und der Edukte ist. Die Thermodynamik behandelt die Grundprinzipien in der chemischen Energetik und hilft, chemische Reaktionen im Voraus zu betrachten sowie zu bewerten. Der Temperaturbegriff sowie die Messung der Temperatur ist hierbei von zentraler Bedeutung..2 Physikalischer Kontext Die Temperatur ist eine physikalische Größe, die in der Thermodynamik eine wichtige Rolle spielt und den kinetischen Zustand eines Systems beschreibt. Ihre Bestimmung kann mit ilfe vielfältiger Methoden erfolgen, und genauso vielfältig sind die Definitionen verschiedener Temperaturskalen. Über das Verhalten eines idealen Gases kann mit ilfe des Gasthermometers die absolute Temperaturskala, die in Kelvin gemessen wird, dargestellt werden. In diesem Versuch lernen Sie, welche Eigenschaften ideale im Gegensatz zu realen Gasen haben und wie diese Eigenschaften zur Messung der Temperatur genutzt werden können..3 Grundbegriffe Temperatur als eine den Zustand der Materie kennzeichnende Größe; Skalen: absolute Temperatur, Celsius-Temperatur, Umrechnung zwischen Temperaturwerten dieser Skalen; Temperaturmessung, Ausdehnungsthermometer (Flüssigkeitsthermometer, Bimetallanordnung); Thermoelement, Aufbau, Schaltung und Funktionsweise (Grundzüge); Widerstandsthermometrie mit Metall- oder albleiter- Fühlern (Grundzüge); Thermische Ausdehnung, Lineare Darstellung für Längen- und Volumenausdehnung, Temperaturabhängigkeit (qualitativ) von: Dichte (auch Anomalie des Wassers), Viskosität,

2 elektrischem Widerstand von Metallen, albleitern und wässrigen Elektrolyten; Ideale Gase, allgemeine thermische Zustandsgleichung; Spezialfälle: Boyle-Mariotte sches Gesetz (Anwendung insbesondere bei Druckgaszylinder und bei der Druckerniedrigung in geschlossenen Gefäßen, Bedeutung des Produktes Druck mal Volumen); Gay-Lussac sche Gesetze; Isotherme, Isobare, Isochore; Reale Gase, Abweichung vom Modell des idealen Gases, Begründung (qualitativ) B. Ausführungsteil (WÄREND der Versuchsdurchführung lesen!) 2. Komponenten für den Versuchsaufbau Magnetrührer mit eizplatte Becherglas mit destilliertem Wasser Stativ mit Becherglas-Sicherung Rührkern Glaskugel mit Anschluss Druckmesser Anzeige-Gerät für den Druck Flüssigkeitsthermometer 3. Durchführung des Versuches Die nachfolgende Anleitung zur Durchführung des Versuches hat vier wesentliche Komponenten:? Fragen und Aufgabenstellungen sind am Anfang mit einem? gekennzeichnet. F Formeln und Regeln werden vorne mit einem F gekennzeichnet und durchnummeriert. Kursiv geschriebene Zeilen markiert mit einer and dienen als Anleitung zur Versuchsdurchführung. Kursiv geschriebene Zeilen, die mit gekennzeichnet sind, enthalten Tipps und Erklärungen, die in einzelnen Fällen hilfreich sein können. 3. Vorbereitung In einem Gasthermometer wird ein Gas (in diesem Fall Luft), das sich in einer abgeschlossenen Glaskugel befindet, erwärmt. Durch die Erhöhung der Temperatur erhöht sich der Druck des Gases in der Glaskugel, der mit einem Druckmessgerät gemessen wird. Das Gas wird in diesem Versuch durch ein Wasserbad erwärmt. Füllen Sie das Becherglas so weit mit destilliertem Wasser auf, dass der Glaskolben vollständig mit Wasser bedeckt ist. Damit sich alle Stellen der Glaskugelwand auf derselben Temperatur befinden, ist es wichtig, dass die Kugel vollständig vom Wasser umgeben ist. Damit auch das Wasser überall im Becherglas dieselbe Temperatur besitzt, wird das Wasser während des Versuchs ständig mit einem Magnetrührer durchmischt. Anderenfalls wäre das Wasser direkt an der erdplatte wärmer als das Wasser an der Oberfläche. Schalten Sie den Magnetrührer auf Stufe 4 ein. Bitte gehen Sie mit der Rührgeschwindigkeit nicht höher, da sonst der Rührkern anfängt, unkontrolliert im Becherglas umherzuspringen, was mit einer hohen Geräuschbelästigung verbunden ist! Lassen Sie den Rührer etwa -2 Minuten (ohne eizung!) rühren, damit das Wasser gut durchmischt ist und wirklich überall im Becherglas dieselbe Temperatur besitzt. Außerdem wird damit gewährleistet, dass auch das Gas in der Glaskugel genau die Temperatur der Wassers besitzt. 2

3 ? Lesen Sie nun am Thermometer die Anfangstemperatur T a des Wassers (und damit auch des Gases) sowie den Anfangsdruck p a des Gases ab. T a =... C p a =... mbar 3.2 Messen Sie den Gasdruck in Abhängigkeit von der Temperatur Stellen Sie die eizung auf maximale Leistung (Stufe 9), und messen Sie während des Aufheizens in 5 C-Schritten bis 70 C die Temperatur T und den dazugehörigen Gasdruck p.? Tragen Sie die gemessenen Werte in die Tabelle ein. Das erste Wertepaar in der Tabelle ist die von Ihnen gemessene Anfangstemperatur T a sowie der Anfangsdruck p a. Sollte die Raumtemperatur so hoch sein, dass T a bereits oberhalb von 25 C liegt, so lassen Sie das Feld für den Druck bei T = 25 C einfach leer. Temperatur T Gasdruck p (in mbar) T a = p a = 25 C 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C 55 C 60 C 65 C 70 C Wenn die Temperatur 70 C erreicht hat, schalten Sie die eizung und den Rührer aus. Nach dem Abschalten zeigt das eizgerät durch den Buchstaben an, dass die Platte noch heiß ist. Legen Sie also nichts auf die Platte bzw. fassen Sie nicht darauf, solange das angezeigt wird. 3

4 3.3 Ermitteln Sie den Druckkoeffizienten? Stellen Sie auf der nächsten Seite den Gasdruck als Funktion der Temperatur graphisch dar. Abszisse (x-achse): Temperatur T; Ordinate (y-achse): Druck p. Wählen Sie die Grenzen anhand Ihrer Messwerte; das Diagramm soll möglichst blattfüllend sein!? Beschreiben Sie qualitativ den Verlauf des Drucks in Abhängigkeit von der Temperatur:? Legen Sie durch die Punkte in Ihrem Diagramm eine Bestkurve. Bitte achten Sie darauf, dass Sie die Punkte nicht einzeln verbinden, sondern dass Sie den Verlauf der Messpunkte durch eine glatte Kurve optisch mitteln. Dabei kann es vorkommen, dass einzelne Punkte nicht genau auf dieser Kurve liegen. Die Druckabhängigkeit eines Gases von der Temperatur ist im Allgemeinen linear, d.h. die Bestkurve in Ihrem Diagramm müsste eine Gerade sein. Mit einem Gas ließe sich also auf diese Weise zwischen zwei bekannten Temperatur-Druck-Wertepaaren (2 Fixpunkten ) eine lineare Temperaturinterpolation durchführen. Charakteristisch für das Gas ist der Druckkoeffizient α. Er berechnet sich aus der Steigung der Geraden nach der Formel F (): F () m α = p' m T ' α: Druckkoeffizient (Einheit: / C) m: Steigung des p-t-graphen (Einheit: mbar/ C) p : beliebiger Druck auf der Geraden des p-t-graphens (kein Messpunkt!) (Einheit: mbar) T : die zu p zugehörige Temperatur (Einheit: C) Wichtig für die Wahl von p und T in der Formel F () ist, dass p und T ein Wertepaar auf der Geraden ist. Sie dürfen hier keine von Ihnen gemessenen Werte nehmen, da diese nicht notwendigerweise auf der Geraden liegen, sondern in der Regel ein wenig von der Bestgeraden abweichen. An welcher Stelle auf der Geraden Sie allerdings p und T wählen, bleibt Ihnen überlassen und führt immer zu demselben Wert für α.? Um α zu berechnen, bestimmen Sie die Steigung m der Geraden in Ihrem Diagramm. m =... mbar C Zur Bestimmung der Geradensteigung wählen Sie sich 2 Wertepaare (T, p ) und (T 2, p 2 ) auf Ihrer Gerade. Verwenden Sie auch hier keine Messwerte, da diese in der Regel nicht genau auf der Geraden liegen. Die Geradensteigung ist immer die Ordinatendifferenz ( p) geteilt p p2 p durch die Abszissendifferenz ( T), also m = = (siehe Abb. ). T T T 2 4

5 Graph: Gasdruck als Funktion der Temperatur 5

6 Abb. : Bestimmung der Geradensteigung m? Berechnen Sie nun mit ilfe der Geradensteigung m den Druckkoeffizienten α für das von Ihnen verwendete Gas (Luft). α =... C In der Idealvorstellung bestehen Gase aus punktförmigen Teilchen ohne Eigenvolumen, die vollkommen elastisch miteinander stoßen. Solche Gase bezeichnet man daher auch als ideale Gase. In der Realität haben Gasmoleküle jedoch ein (wenn auch in der Regel kleines) Eigenvolumen, sind also nicht ideal punktförmig. Außerdem üben sie Anziehungskräfte aufeinander aus, was sich insbesondere dadurch äußert, dass Gase bei tiefen Temperaturen flüssig werden. Diese Gase werden daher reale Gase genannt. Der Druckkoeffizient für ideale Gas beträgt α ideal =. Für reale Gase weicht 273,5 C der Wert des Druckkoeffizienten ab.? Vergleichen Sie den Druckkoeffizienten α Ihres Gases mit dem Wert α ideal für ideale Gase. Bewerten Sie, ob sich Luft in dem von Ihnen untersuchten Temperaturbereich (20 C - 70 C) in guter Näherung wie ein ideales Gas verhält. 6