Versuch MG: Molmassenbestimmung eines Gases nach der Methode von Dumas

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1 Dies ist ein Beispielprotokoll zu fiktiven Versuch Molassenbestiung, das Ihnen insbesondere für die physikalischcheischen Versuche (GMS, ABS, BSP, MWG, LFG) aufzeigt, wie Ihr Protokoll auszusehen hat. Eine Beschreibung des Versuches Molassenbestiung finden Sie a Ende des Protokolls. Praktische Einführung in die Cheie Versuch MG: Molassenbestiung eines Gases nach der Methode von Duas Assistentin: Anna Musterfrau Gruppe 42: Frank Musterann, Sabine Musterann Versuchstag: Beginnen Sie Ihr Protokoll it eine Deckblatt, das alle wichtigen Inforationen, wie den Titel des Versuchs, das Datu der Versuchsdurchführung, den Naen des Assistenten, sowie Ihre eigenen Naen und Ihre Gruppennuer enthält. Verwenden Sie für Ihr gesates Protokoll eine einheitliche Schriftart sowie einheitliche Schriftgrößen! -1-

2 1. Theorieteil Beginnen Sie it de Theorieteil. Geben Sie hier kurz den theoretischen Hintergrund des Versuches in eigenen Worten (!) wieder, führen Sie die zur Auswertung benötigten Foreln ein und erläutern Sie alle auftretenden physikalischen Größen. Für ideale Gase gilt die ideale Gasgleichung: p V n R T Foreln werden in (1) der Reihenfolge, in p = Druck V = Voluen n = Stoffenge in ol T = Teperatur J R = universelle Gaskonstante: 8,14 ol K der sie i Text auftauchen, durchnueriert. Nun ersetzt an in Gleichung 1 die Stoffenge n durch: n Forelzeichen werden kursiv geschrieben! (2) M = Masse M = Molasse Einheiten jedoch werden nicht kursiv geschrieben! Die Molasse kann jetzt aus der idealen Gasgleichung durch Vorgabe von Zustandsvariablen und experienteller Bestiung der 4. Zustandsvariablen bestit werden: M R T () p V Bei der Methode nach Duas werden p, V und T vorgegeben und die zugehörige Masse wird bestit. 2. Aufgabenstellung Stellen Sie die Aufgabenstellung des Versuchs kurz dar. Mithilfe der Methode nach Duas soll die Molasse einer unbekannten Substanz bestit werden. -2-

3 . Versuchsdurchführung Beschreiben Sie in eigenen Worten in Vergangenheitsfor und i Passiv den Versuchsaufbau (ggf. it einer Skizze) und was a Versuchstag tatsächlich geacht wurde. Bei der Bestiung der Molasse nach Duas wurde eine hinreichende Menge der Probe in einen offenen Glaskolben, dessen Leergewicht 1 bestit wurde, gefüllt. Die eingefüllte Substanz wurde i siedenden Wasserbad verdapft (siehe Abbildung 1). Sobald die gesate Substanzenge verdapft war, wurde der Kolben zugescholzen und der Luftdruck p notiert. Der abgekühlte Kolben wurde dann zusaen it de abgescholzenen Glasstück nochal gewogen, u die Masse 2 des Kolbens und der unbekannten Substanz zu bestien. Bei Wiegen des Kolbens wurde nun auch die Rauteperatur T Rau, die für die Berechnung der Dichte der Luft benötigt wird, bestit. Anschließend wurde die Glasspitze des Kolbens unter Wasser it eine Glasesser angeritzt und abgebrochen, so dass sich der Kolben it Wasser füllte. Zur Bestiung des Voluens des Kolbens wurde nun der it Wasser gefüllte Kolben gewogen und so die Masse bestit. Abbildungen werden durchnueriert und jede Abbildung hat eine Bildunterschrift! Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Molassenbestiung nach Duas. Die unbekannte Substanz wird in eine Kolben, der sich in eine siedenden Wasserbad befindet, verdapft. --

4 4. Messwerte Listen Sie Ihre Messwerte hier tabellarisch auf. Die Tabellen werden durchnueriert und jede Tabelle bekot eine Überschrift. Falls sich Messwerte i Laborjournal befinden, sind die entsprechenden Seiten in Kopie a Ende des Protokolls beizufügen. Tabelle 1: Messwerte für Druck, Teperatur und Masse Druck p 9,10@10 4 Pa Rauteperatur T Rau 21,5 C = 294,65 K Mit Luft gefüllter Kolben 1 2,6049 g Mit Substanz gefüllter Kolben 2 2,7949 g Mit Wasser gefüllter Kolben 120,048 g Tabelle 2: Vorgegebene Größen Universelle Gaskonstante R 8,14 Molasse der Luft M Luft Dichte von Wasser bei 21,5 C J olk g 28,97 ol Wasser g 0,9979 c 5. Auswertung Beschreiben Sie in ausforulierten Sätzen und in logischer Reihenfolge, wie aus den Messwerten die geforderten Ergebnisse bestit werden. Hierbei ist auf eine lückenlose und übersichtliche Darstellung aller Auswertungsschritte zu achten. Geben Sie für jeden berechneten Paraeter eine allgeeine Forel an. Stellen Sie klar, welche Werte eingesetzt wurden und stellen Sie (falls notwendig) anschließend die Ergebniswerte zuerst in einer Tabelle und anschließend erst in eine Diagra dar. Für die Auswertung nach der idealen Gasgleichung (Gleichung ) uss zunächst das Voluen des Kolbens berechnet werden. Hierbei kann das Gewicht der Luft i luftgefüllten Kolben vernachlässigt werden, da es viel kleiner als das Gewicht des Wassers ist. Es gilt daher: 120, kg 2, Wasser 1 6 V 96,90 10 (4) kg Wasser Wasser 0, Verdeutlichen Sie stets die eingesetzten Werte an einer Beispielrechnung. Insbesondere wenn Sie in Tabellen größere Datenengen it einer bestiten Forel berechnet haben, ist eine Beispielrechnung an eine der Werte notwendig. kg -4-

5 Anschließend uss die verwendete Masse der Substanz berechnet werden. Hierfür gilt 2, (5) K wobei für K, der Masse des leeren Kolbens in Abhängigkeit von der Masse der Luft Luft, gilt K 1 Luft 1 V Luft (6) wobei Luft die Dichte der Luft ist. Die Dichte der Luft bei Rauteperatur wird über das ideale Gasgesetz bestit 28,97 9,10 10 Pa. (7) g 4 MLuft p ol kg Luft 1, 076 J V R TRau 8,14 294,65 K olk Soit lässt sich die Masse der unbekannten Substanz folgenderaßen berechnen V (8) 2 1 Luft 6 2, kg 2, kg 96, ,29410 kg. 1,076 Zuletzt uss nun noch die Siedeteperatur T des Wassers bei de gegebenen Druck bestit werden. Für sie gilt K 7,15 2,77 10 ( p 1,01 10 Pa) T (9) 7,15 2, Pa Pa 4 5 9,10 10 Pa 1,01 10 Pa 70,1K Nun können die berechneten Werte zusaen it de geessenen Druck p in das ideale Gasgesetz eingesetzt werden, u die Molasse der unbekannten Substanz zu bestien: J R T 0,294 g8,14 70, K olk g M 102,7 (10) 4 6 ol p V 9,10 10 Pa 96,90 10 kg Die Molasse der unbekannten Substanz beträgt also 102,7 g ol. In diese Protokoll war keine graphische Darstellung Ihrer Werte erforderlich. Bei vielen Versuchen ist dies jedoch notwendig. Achten Sie bei Ihren Diagraen unbedingt auf eine übersichtliche Darstellung. Wählen Sie dazu als Diagratyp ein Punktdiagra(xy) ohne Verbindungslinie zwischen den Punkten und entfernen Sie die Gitternetzlinien. Geben Sie Achsenbeschriftungen it Naen und/oder Forelzeichen der physikalischen Größe und ihrer Einheit an. Beschriften Sie bei ehreren Messreihen diese. Geben Sie Geradensteigungen i Diagra oder i Text an. -5-

6 6. Fehlerbetrachtung A Ende Ihres Protokolls erfolgt eine Fehlerbetrachtung. Überlegen Sie welche Ihrer Messgrößen fehlerbehaftet sind und wodurch diese Fehler entstanden sein können. Bei diese Versuch gibt es ehrere ögliche Ursachen für das Auftreten von Fehlern. Zunächst wird ideales Verhalten der Gase angenoen. Dies kann sowohl bei der Bestiung der Dichte der Luft, als auch bei der eigentlichen Molassenbestiung zu Fehlern führen. Ferner befindet sich der Kolben nicht vollständig i siedenden Wasserbad, so dass hier die Probe kondensieren kann. Bei der Bestiung des Voluens des Kolbens durch Füllen it Wasser können ein paar Luftblasen i Kolben bleiben, so dass auch hier ein Fehler auftritt. Bei der Bestiung der Teperatur, des Luftdruckes und des Gewichtes des Kolbens können sowohl Mess- als auch Ablesefehler auftreten. 7. Zusaenfassung Beschreiben Sie kurz die i Versuch aufgezeigten Zusaenhänge und nennen Sie alle erittelten Ergebniswerte. Mithilfe des idealen Gasgesetzes wurde nach der Methode von Duas die Molasse einer unbekannten Substanz bestit. Sie betrug M = (102,7 ± 0,9) g ol. 8. Literatur Geben Sie alle Literatur an, die Sie zur Erstellung des Protokolls verwendet haben. Praktische Einführung in die Cheie, Praktikusskript, Universität Stuttgart, SoSe P.W. Atkins, J. de Paula. Physikalische Cheie. Wiley-VCH Anhang Listen Sie alle Anhänge auf. Auszug aus de Laborjournal it den Messergebnissen. -6-

7 Dies ist eine verkürzte Versuchsbeschreibung, die Ihnen helfen soll, das vorherige Beispielprotokoll zur Molassenbestiung nachzuvollziehen. Versuch X (MG) Molassenbestiung eines Gases nach der Methode von Duas 1 Aufgabenstellung und Versuchsanleitungen 1.1 Aufgabenstellung Bestien Sie die Molasse einer unbekannten Substanz, die zwischen 60 C und 80 C siedet, ithilfe der Methode von Duas. 1.2 Versuchsanleitung Theorie Eine wichtige praktische Anwendungsöglichkeit für das ideale Gasgesetz, soweit es für das jeweilige Gas als gültig angesehen werden kann, liegt in der Bestiung der Molasse. p V n R T R T (1) M Hierbei ist p der Druck, V das Voluen, n die Stoffenge in ol, R die universelle Gaskonstante, T die Teperatur, die Masse und M die olare Masse. Zur Bestiung der Molasse ist soit die Messung der vier Größen V,, p und T erforderlich, die sich bei geeigneter Wahl der Versuchsbedingungen verhältnisäßig leicht erfassen lassen. Bei der Methode von Duas werden von den vier Größen V, T, p und die drei erstgenannten von vornherein festgelegt, während sich die Masse erst während des Versuches ergibt und nachträglich zu bestien ist Versuchsdurchführung Der gut getrocknete Glaskolben, der it eine zu einer Spitze ausgezogenen Ansatzrohr versehen ist, wird genau gewogen ( 1 ) und it einigen Gra der zu untersuchenden Substanz gefüllt, inde an ihn leicht erwärt und die Substanz bei Abkühlen einsaugen lässt. Die Substanz wird dann anschließend in eine siedenden Wasserbad verdapft. Sobald die gesate Substanzenge verdapft ist, wird der Kolben zugescholzen. Gleichzeitig wird a Baroeter der Druck p abgelesen.

8 Nach de Abkühlen wird der Kolben gewogen ( 2 ). Während dieser Wägung ist die Rauteperatur T Rau der Luft zu notieren, da der Auftrieb des geschlossenen Kolbens berücksichtigt werden uss. Das Voluen V des Kolbens wird erittelt, inde die Glasspitze nach vorsichtige Anritzen it eine Glasesser unter Wasser abgebrochen wird, so dass dieses in den Kolben eindringt. Der it Wasser gefüllte Kolben wird nun erneut gewogen ( ), u aus de Gewicht des Wassers später das Kolbenvoluen zu bestien. Die Masse der Substanz errechnet sich nun aus der Beziehung: (2) 2 V Luft 1 wobei Luft die aus de Gasgesetz (it M Luft = 28,97 g@ol -1 ) zu berechnende Dichte der Luft bei Rauteperatur T Rau ist. Bei der Berechnung der Molasse aus den Versuchsdaten verwendet an die ideale Gasgleichung. Der Druck p ist dabei der zur Zeit des Zuschelzens a Baroeter abgelesene Druck und T die Teperatur des Wasserbades, d.h. die Siedeteperatur des Wassers bei de Außendruck p. Die Abhängigkeit der Siedeteperatur des Wassers vo Außendruck ergibt sich aus folgender Forel: T(in K)= 7,15 + 2,77@10-4 (p 1,01@10 5 Pa) () wobei p in Pascal anzugeben ist. I Anschluss an die Bestiung der Molasse soll eine Diskussion der wichtigsten in diese Versuch auftretenden Fehlerquellen sowie eine Fehlerfortpflanzungsrechnung durchgeführt werden. 2 Literatur Zur Vertiefung seien folgende Bücher epfohlen: G. Wedler, H.-J. Freund. Lehrbuch der Physikalischen Cheie. Wiley-VCH, W.I. Moore, D.O. Huel. Physikalische Cheie. Walter de Gruyter, Berlin, P.W. Atkins, J. de Paula. Physikalische Cheie. Wiley-VCH 201.