Bestimmung der molaren Masse nach Dumas (MOL)

Transkript

1 Physikalisches Praktikm Versch: MOL Bestimmng der molaren Masse nach Dmas (MOL) Manel Staebel 3663 / Michael Wack Verschsbeschreibng Im folgenden Versch werden wir nach der Methode von Dmas die molare Masse von Chloroform nd deren Fehler bestimmen sowie as den Messwerten die Dichte von Chloroform bei Verschbedingngen berechnen. Zr Berechnng dienen Formeln wie die Zstandsgleichngen für ideale Gase. Verschsdrchführng Znächst haben wir den lftgefüllten Glaskolben mit der Analysewaage gewogen. Es ergab sich eine Masse von m L = (16,07 ± 0,001) g wobei die Ungenaigkeit af Schwankngen der Waage berht. Diese können z.b. drch Lftzg hervorgerfen werden. Darafhin haben wir wie angegeben den Glaskolben erwärmt nd anschließend dessen Kapillare in das Chloroform Vorratsgefäß getacht. Mit Leitngswasser wrde der Kolben gekühlt, was ein Ansagen von Chloroform (drch eine Verringerng des Volmens der Lft) verrsachte. Diese Prozedr wiederholten wir noch zweimal, bis sich in etwa die gewünschte Menge an Chloroform (etwa 1 cm 3 ) im Kolben befand. Den Ansagvorgang nd 3 mssten wir sogar nterbrechen, da im Vergleich zm ersten mal sehr viel Chloroform in den Kolben gesogen wrde nd nter Umständen z viel Chloroform afgenommen worden wäre. Das starke Ansagen beim. nd 3. Mal ist wohl af die Kondensation des Chloroforms zrückzführen: Beim Erwärmen des Glaskolbens, in dem sich schon ein wenig Chloroform befindet (bei Zimmertemperatr in flüssigem Zstand) verdampft ein Teil dieses nd nimmt einen Großteil des Volmens des Kolbens ein. Wird der Kolben wieder abgekühlt, kondensiert das Chloroform nd nimmt einen wesentlich geringeres Volmen ein. Beim ersten Versch fand natürlich keine Kondensation der Lft statt nd somit ach keine derartig drastische Volmenverkleinerng. Während wir af das Sieden des mit zwei Bnsenbrennern erhitzten Wassers warteten bestimmten wir den aktellen Lftdrck nd die aktelle Temperatr. Wir lasen am Thermometer die Temperatr T Z mit (,5 ± 0,5) C ab, die große Ungenaigkeit wählten wir afgrnd der Schwankngen des Thermometers. Wahrscheinlich ist das Ansteigen der Temperatr während der Ablesezeit von Drck nd Temperatr af die abgestrahlte Körperwärme der sich in nmittelbarer Umgebng afhaltenden Personen zrückzführen. Der abgelesene Barometerstand p B betrg (75,10 ± 0,05) Torr, er mss noch af 0 C redziert werden (siehe Aswertng). Als das Wasser z sieden begann, tachten wir den gesamten Glaskolben in den Wassertopf, wobei wir die Kapillare wieder in das Chloroform Vorratsgefäß einführten. Wir warteten, bis drch die starke Erhitzng das gesamte Chloroform verdampft war, was dadrch z sehen war, dass im Chloroform Vorratsbehälter as der Kapillare keine Bläschen mehr astraten. Wir gingen davon as, dass z diesem Zeitpnkt der Drck im Glaskolben gleich dem Assendrck war nd der gesamte Kolben mit Chloroformgas asgefüllt war. Um den Glaskolben anschließend absolt gasdicht abzschließen, schmolzen wir die Kapillare in der Mitte mit einem Bnsenbrenner ab. Den Glaskolben mit dem nn eingeschlossenen Chloroformgas wogen wir zsammen mit dem abgeschmolzenen Stückchen der Kapillare, wobei sich folgende Masse ergab: m C = (16,345 ± 0,001) g Nn kühlten wir das zvor siedende Wasser af Zimmertemperatr. Drch das sieden/kochen erhielten wir sehr lftarmes Wasser (Askochen). Den Glaskolben mit dem Chloroformgas tachten wir wieder komplett in dieses Wasser nd öffneten ihn drch Abbrechen eines weiteren Teils der Kapillare. Der drch die Abkühlng herrschende Unterdrck führte z einem raschen Ansagen des Wassers, so dass sich der komplette Kolben Michael Wack 34088, Manel Staebel 3663 Seite: 1/5

2 Physikalisches Praktikm Versch: MOL (abgesehen von einer winzigen Gasblase) füllte. Wiederm wogen wir den nn mit Wasser gefüllten Kolben samt des abgeschmolzenen nd des abgetrennten Kapillarenstücks. Wir ermittelten die Masse m W = ( 133,384 ± 0,001) g 3 Verschsaswertng Gemessene Werte: m L = (16,07 ± 0,001) g m C = (16,345 ± 0,001) g m W = (133,384 ± 0,001) g p B = (75,10 ± 0,05) Torr T Z = (,5 ± 0,5) C Das Volmen des Kolbens errechnet sich mit Gleichng (11) as dem Skript: V = m w m L ρ w wobei ρ W, die Dichte von Wasser bzw. Lft ist. Dabei kann die Dichte des Wasser ρ W = 1 g/cm 3 gesetzt werden. Die Dichte der Lft mss mittels Gleichng (7) den im Praktikmsram herrschenden Bedingngen angepasst werden: Daz korrigieren wir erst den abgelesenen Barometerwert: p B = (75,10 ± 0,05) Torr; T Z = (95,7 ± 0,5) K Korrektrformel für den Lftdrck: b = 0, , T Z 1 0, T Z p B =,65 Torr = p B b = 77,75 ± 0,05 Torr = 97, ± 70 Pa As der asliegenden Tabelle haben wir den Siedepnkt von Wasser für abgelesen: T S = 99,91 C = 373,07 K Dichte der Lft bei Normbedingngen: a = p norm ρ norm T = 1,013 bar 0,00193 g cm 3 73,15 K Dichte der Lft bei nseren gemessenen Bedingngen: = 3 = 0, g cm T Z a 3 bar cm =,868 g K Für die Berechnng von a vernachlässigen wir eventelle Unsicherheiten, da diese im Skript nicht angegeben sind nd vermtlich ach in Anbetracht der genaen Werte nicht relevant wären. Für ρ ergibt sich eine L Unsicherheit von ρl = pz T Z =0,0018 T Z Ach dieser relative Fehler ist so gering, dass wir ihn vernachlässigen. Nn können wir endlich das Volmen des Kolbens berechnen: V = m W m L ρ W = 117,49 cm 3 Der Fehler der Dichte von Wasser ist nicht im Skript angegeben, der Fehler der Dichte von Lft kann wie oben wiederm vernachlässigt werden, insbesondere deshalb, weil die Dichte von Lft m ca. 3 Zehnerpotenzen Michael Wack 34088, Manel Staebel 3663 Seite: /5

3 Physikalisches Praktikm Versch: MOL geringer ist, als die von Wasser. Somit beschränkt sich die Fehlerermittlng af die Massendifferenz: m = mw ml =0,0014 g ; V = m V=0,0014 cm3 m Ach dieser Fehler wirkt sich nicht af die signifikanten Stellen des Volmens as. Nach Gleichng (1) läßt sich nn die Masse m des im abgeschmolzenen Kolben befindlichen Chloroformgases berechnen: m = ρ C V = m C m L V = 0,45 g Der Fehler der Massendifferenz beträgt wieder 0,0014 g, der Fehler von nd V ist z vernachlässigen m = (0,45 ± 0,001) g Die molare Masse des Chloroformgases ergibt sich mit Formel (13): M = m R T S V = 13,0 g mol Wir berechnen die relative Unsicherheit: M M = m m T S T S pz V V M =0,9 g mol ergibt M = (13,0 ± 0,3) g/mol =0,003 woras sie eine Unsicherheit von Abschließend berechnen wir die Dichte des Chloroformdampfes bei den Verschsbedingngen (, T S) as Gl. (8) nd (9) bzw. Gl. (1): ρ C = m C m L V = 0,0039 g cm 3 Die Unsicherheit von ρ C ist wiederm so klein, dass sie mit gtem Gewissen vernachlässigbar ist. Unsere Endergebnisse für die molare Masse von Chloroform nd dessen Dichte bei Verschsbedingngen (gasförmig) laten also: Der Fehler nseres ermittelten Wertes für die molare Masse ist nicht groß geng, damit der angegebene Literatrwert (M Chloroform = 119,38 g/mol) innerhalb des Fehlerintervalls liegt. As diesem Grnd sind systematische Fehler z vermten. Mögliche Fehler sind: Ungenaigkeiten bei der Ermittlng des Volmens des Glaskolbens Bestimmng der Ramtemperatr nd des Lftdrcks (bleiben nicht konstant während des Verschs) Ermittlng der Siedetemperatr von Wasser M = (13,0 ± 0,3) g/mol ρ C = 0,0039 g/cm 3 Siedetemperatr von Wasser ist nr ngefähr die Temperatr im Inneren des Kolbens beim Verdampfen des Chloroforms Ungenae Dichteangabe von Wasser (nicht sonderlich gt asgekocht), nreines Wasser Wir vermten, dass die Ungenaigkeiten bei der Ermittlng des Volmens des Glaskolbens den größten Fehler verrsachen. Nach dem Ansagen des Wassers war im Glaskolben z.b. ein winziges Gasbläschen z sehen, was wir in der Fehlerrechnng nicht berücksichtigten. Allein hätte ns ein von ns m ca. 3% höher ermitteltes Volmen schon af den angegebenen Literatrwert gebracht. Die gleichen Fehler führen ach z eventellen Abweichngen nserer Chloroformdichte von der in der Literatr angegebenen. Michael Wack 34088, Manel Staebel 3663 Seite: 3/5

4 Physikalisches Praktikm Versch: MOL Vergleich der Chloroformkonzentration mit dem MAK Wert Zr Abschätzng der während des Verschs herrschenden Konzentration an Chloroform treffen wir folgende Annahmen: das verdampfte Chloroform befindet sich znächst in dem Volmen V = 5m 5m 5m = 15 m³ m den Experimentator jede Arbeitsgrppe verdampft,5g Chloroform dieses Chloroform ist in obigem Volmen gleichmäßig verteilt As den Annahmen ergibt sich eine Chloroform Konzentration von 0mg/m 3 der Wert liegt detlich nter dem MAK Wert von 50mg/m 3. Inwieweit nsere Abschätzng realistisch ist können wir nr hoffen. Selbst bei einer höheren Chloroform Konzentration als dem erlabten MAK Wert wäre eine Gefährdng der Experimentatoren nwahrscheinlich, da sie dem Gas nr sehr krzzeitig asgesetzt waren nd der MAK Wert für Belastngen über einen Zeitram von 40 Stnden pro Woche gilt. 5 Fragen 5.1 Wie ist die physikalische Größe Stoffmenge definiert? Stoffmenge ist eine SI Einheit nd beschreibt die Anzahl von Molen eines Stoffes. Stoffmenge = Teilchenzahl Avogadro Zahl Das Mol (mol) ist die Basiseinheit der Stoffmenge: 1 mol ist die Stoffmenge eines Systems, das genaso viele Moleküle enthält wie Atome in 0,01 kg des Kohlenstoffisotops 1 C enthalten sind. 5. Worin besteht der begriffliche Unterschied zwischen der molaren Masse nd der relativen Molekülmasse (früher Moleklargewicht)? Bei der molaren Masse handelt es sich m die Masse, die 1 Mol eines Stoffes hat. Gemessen wird sie in z.b. in g/mol oder kg/mol. Die relative Molekülmasse ist eine Größe, die sich af die willkürlich festgelegte Atommasseneinheit bezieht. So beschreibt die relative Molekülmasse das Verhältnis der Masse eines 1 Moleküls z einem zwölftel der Masse eines 6 C Atoms. 5.3 Wie kann man mit Hilfe des Avogadro Gesetzes, nach dem ideale Gase bei gleichem Drck nd gleicher Temperatr in gleichen Volmina gleich viele Moleküle enthalten, die molare Masse eines Stoffes ermitteln? Nach dem Avogadro Gesetz kann man die molare Masse eines Stoffes drch Zhilfenahme eines zweiten Gases, von dem mehrere Daten bekannt sind, bestimmen. Beide Gase müssen sich in gleichem Volmen bei gleicher Temperatr befinden. Vom Referenzgas mss die molare Masse sowie die Masse des gesamten Gases bekannt sein bzw. gemessen werden. Von dem Stoff, dessen molare Masse ermittelt werden soll, mss ebenfalls die Gesamtmasse gemessen werden. Da die Stoffmenge der beiden Gase gleich ist, folgt (as Avogadro): M = M ref m m ref 5.4 Für welche Stoffe ist die Methode nach Dmas geeignet? Die Methode nach Dmas ist nr für Stoffe geeignet, deren Siedepnkt nter dem von Wasser liegt, da man den Stoff ansonsten nicht im siedenden Wasser verdampfen kann. Aßerdem mss sich der Stoff bei Ramtemperatr im flüssigen Aggregatzstand befinden. Dies gilt natürlich nr, wenn man den Versch wie im Praktikm drchführt. Verwendet man beispielsweise eine Flüssigkeit mit höherem Siedepnkt als Wasser m den Glaskolben z erwärmen, so kann natürlich der nterschte Stoff ach einen entsprechend höheren Siedepnkt besitzen. Das allgemeine Gasgesetz lässt sich nr anwenden, wenn sich der Stoff im gasförmigen Zstand annähernd wie ein ideales Gas verhält. Michael Wack 34088, Manel Staebel 3663 Seite: 4/5

5 Physikalisches Praktikm Versch: MOL Welche Methoden lassen sich für Stoffe anwenden, die nicht in den gasförmigen Zstand überführt werden können? Gefrierpnkterniedrigng oder Siedepnkterhöhng bei bekanntem Dissoziationsgrad Massenspektroskopie: von der Ablenkng ionisierter Teilchen im elektrischen nd magnetischen Feld kann man af ihre Masse schließen, nd diese mit Hilfe der Avogadro Konstante in die molare Masse mrechnen Elektrolyse: as der Massendifferenz der Elektrode vor nd nach der Elektrolyse sowie der Anzahl der geflossenen Ionen (lässt sich as dem Strom nd der Zeit bestimmen, wenn die Ladng der einzelnen Ionen bekannt ist) kann man die molare Masse bestimmen. Radioaktivität: bei bekannter Halbwertzeit, kann man drch messen der Aktivität die Teilchenanzahl bestimmen nd mit Hilfe der Gesamtmasse die molare Masse bestimmen. Michael Wack 34088, Manel Staebel 3663 Seite: 5/5