Dissoziationsgrad und Gefrierpunkterniedrigung (DIS) Gruppe 8 Simone Lingitz, Sebastian Jakob

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1 Dissoziationsgrad und Gefrierpunkterniedrigung (DIS) Gruppe Simone Lingitz, Sebastian Jakob

2 . Versuch. Versuchsaufbau Durch die Bestimmung der Gefrierpunktserniedrigung beim Lösen von KNO bzw. NaNO in Wasser kann die Zahl der gelösten Teilchen und somit der Dissoziationsgrad ermittelt werden. Man hat dazu folgenden Aufbau: Das Kältebad im Becherglas besteht aus Eiswasser mit darin gelöstem Viehsalz. Durch die Öffnung im Deckel wird das Reagenzglas mit dem Lösungsmittel bzw. der Lösung in das Kältebad gestellt. Während mit den beiden Rührern die Temperaturverteilung im Kältebad und im Reagenzglas gleichmäßig verteilt gehalten wird, wird mit dem Thermistor, einem temperaturabhängigen Halbleiter, über dessen Widerstand die jeweilige Temperatur des Lösungsmittels bzw. der Lösung ermittelt.

3 . Eichung des Thermistors Bei Temperaturen zwischen C und - C wird mit Hilfe eines Digitalthermometers die Temperatur und der dazugehörige Widerstand gemessen. Begonnen wird bei einer Temperatur von - C und es wird in,5 C Schritten gemessen. Dadurch bekommt man folgende Kurve: - -5,5-5 -,5 - -,5 - -,5 - -,5 - -,5 R [kω],7,, 7,5 7, 7,9 7,5 7, 7,,,7,59,5 Thermistoreichung T(R) R [kω] y = -,x + 9, R =,99. Gefrierpunkserniedrigung Zuerst wird in drei Messgängen der Gefrierpunkt von destilliertem Wasser ermittelt. Ca. g destilliertes Wasser werden mit dem Reagenzglas in das Kältebad gebracht und in Abständen von 5s wird der Widerstand notiert. Dabei ist zu beachten, dass der Thermistor tief genug in das Reagenzglas eingetaucht wird. Aus der vorher ermittelten Funktion für die Temperatur in Abhängigkeit des Widerstandes kann nun die Temperatur ermittelt werden: Der Punkt an dem die Kurve konstant bleibt (rot markiert), ist der Gefrierpunkt.

4 Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung R[kΩ] 5, 5, 5, 5,,,9,5,7,7,,5,5,5,5,9,5,79,, -, -,97 -,9 -, -, -, -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -, -, -, -, -, -, -,5 -,5 -,5 -,5 -,5 -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -,5 -,5 -,5 -,5 -, -, -, -, -, -, -, -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung - - -, Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung R [kω ] 7 5,

5 Gefrierpunkt Lösungsmittel -. Messung R[kΩ],7,77,7,,,,, 5,5 5, 5,,,,,,97,7,7 7,7,,9,9,9,,7, R[kΩ],9,9,7,,55,5,5,5,5,5,5,5 -, -, -,97 -, -, -, -,5 -, -, -, -, -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -, -,5 -,5 -,5 -,5 -, -, -, -,9 -,9 -,9 -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -,9 -,9 -,9 -,9 -,9 -,9 -,9 -, -, -, -, -, Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung - -, Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung R [kω ] 7 5,

6 Gefrierpunkt Lösungsmittel -. Messung R[kΩ],,,,7,9,5,9 5, 5,7,9,9,,5,,9,5 9, 7,7,7,7,,9,9,5 -,9 -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -, -,5 -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, R[kΩ],9,9,9,9,9,9,5,5,5,5,5,5 -, -, -, -, -, -, -,9 -,9 -,9 -,9 -,9 -, R[kΩ],5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5 -,9 -,9 -,9 -,9 -,9 -,9 -, -, -, -, -, -, Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung - -, R [kω] 7 5 Gefrierpunkt Lösungsmittel. Messung,

7 Nun wird der Gefrierpunkt der jeweiligen Lösung ermittelt. Dazu werden,5-,g KNO in das Lösungsmittel (destilliertes Wasser) gegeben und wieder der Gefrierpunkt bestimmt. Gefrierpunkt Lösung -. Messung R[kΩ],7,9,,,9,, 5, 5,5 5,7,,7,55,5,9,7,77,77,95,95,5,55,5,59, -, R[kΩ],7,9,,79,75,75,7,7,75,75,75,79 -,9 -,5 -, -,9 -, -, -, -, -, -, -, -, R[kΩ],75,7,7,7,77,77,7,7,7,7,79,79 -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, -,9 -, R[kΩ],79,79,,,,,,,,,, -,9 -,9 -, -, -,5 -,5 -, -, -, -, -, -, Gefrierpunkt Lösung. Messung - - -, Gefrierpunkt Lösung. Messung R [kω] 7 5,

8 Gefrierpunkt Lösung -. Messung. Messung R[kΩ],9,9,,,5,,5, 5, 5,5 5,7,,,9,79, 9, 7,9,7 5,7,7,,,7,9, R[kΩ],,77,9 7,7 7, 7, 7, 7,,5,79,77,77 -, -, -,59 -, -, -, -, -, -,7 -,9 -, -, R[kΩ],7,7,77,77,77,77,77,7,7,7,7,79 -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, R[kΩ],79,79,79,,,,,,,,, -,9 -,9 -,9 -, -, -, -, -,5 -,5 -,5 -,5 -, Gefrierpunkt Lösung. Messung - - -, Gefrierpunkt Lösung. Messung R [kω ] 7 5,

9 Gerfrierpunkt Lösung -. Messung R[kΩ],,,,5,9,, 5, 5,7,,,,5,, 9,95,9 7,5,,,,7, -, -,79 -, R[kΩ] 7,7,9,,7,7,7,7,7,77,77,77,7 -, -,59 -, -, -, -, -, -, -, -, -, -, R[kΩ],7,79,79,,,,,,,,, -, -,9 -,9 -, -, -,5 -,5 -, -, -, -, -, R[kΩ],5,5,5,5,,,,,,,7,7 -,7 -,7 -,7 -,7 -, -, -, -, -, -, -, -, Gefrierpunkt Lösung. Messung - - -, Gefrierpunkt Lösung. Messung R [kω ] 7 5, Anmerkung: Der Punkt, an dem die Kurve konstant bleibt, scheint im Diagramm zu weit hinten zu liegen. Betrachtet man jedoch die dazugehörigen Werte, ist dieser Punkt sinnvoller.

10 Die Gefrierpunkterniedrigung errechnet sich aus der zu den Gefrierpunkten gehörigen Widerstandsdifferenz. R = RW R =,5,7 =,[ kω]. Der Fehler von R berechnet sich aus der Formel ( R) = ( R ) + ( R ) =,[ kω] L W L, wobei n = sw sl bzw. sl die jeweiligen Standardabweichungen sind und RW = und RL =. Die n n zugehörige Temperaturerniedrigung bekommt man nun durch Einsetzen des Widerstandes in die Temperatureichkurve:. T G =, R =,7[ C]. Der Fehler von TG setzt sich aus dem Fehler des Temperaturkoeffizienten der Thermistoreichkurve a =, und aus dem ( TG ) a ( R) Fehlers des Widerstandes zusammen. = +. T a R n a = S y =,, mit n =, dem Achsenabschnitt t = 9, C, D n ( yi ( t + xia)) n n i= SY = und D = n x i xi. ( T G ) =, C. Es handelt n i= i= sich hierbei um einen statistischen Fehler. T G =,7 ±, C G, s w. Bestimmung der im Wasser gelösten Teilchenzahl Gemäß Anleitung: n M TG m TG = n = =,mol n K GL g K GL g mit m =, g (Masse des Lösungsmittels) und K K GL =, 59. mol Der Fehler setzt sich zusammen aus einem systematischen Fehler von m und einem statistischen Fehler von TG. n syst m m =,5mg =, g = n syst =,mol. n m Dieser systematische Fehler ist demnach zu vernachlässigen. ( TG ) n n = n stat = =, mol. n =, ±, mol TG Die Zahl der gelösten Teilchen beträgt N = N A n = 5,.

11 .5 Bestimmung des Dissoziatinsgrades Gemäß Anleitung: n n α = = 75,9% z m mit: n = =, mol (Masse des gelösten Stoffes) z =, da KNO in zwei Teile M + K und NO zerfällt Der Fehler von α setzt sich wieder aus einem systematischen Fehler von n und einem statistischen Fehler von n zusammen. n α m α n α α syst = = =,% α stat = =,% mit m g n m n =, und m =, 7g α = α stat + α =,% +,% =,77% syst α = 75,9% ±,77%. Anmerkungen: Da ein Reagenzglasständer zu wenig vorhanden war, wurden die zwei übrigen gemeinsam benutzt, dabei könnte es zu Verwechslungen gekommen sein, was eine ungenauere Gewichtsangabe zur Folge hätte.

12 . Fragen:. Was versteht man unter einer idealen Lösung? Ideale Lösungen sind so stark verdünnt, dass die gelösten Stoffe nicht miteinander wechselwirken. Im Grenzfall spricht man auch von einer unendlichen Verdünnung.. Warum können Elektrolyte auch bei hoher Verdünnung nicht als ideal verdünnte Lösungen angesehen werden? Elektrolyte üben aufgrund ihrer Ladung Coulombkräfte aufeinander aus. Die Reichweite dieser Kräfte geht ins Unendliche und so liegt immer eine Wechselwirkung zwischen den gelösten Teilchen vor, d.h. es kann sich um keine ideale Lösung handeln.. Welche Konzentrationsmaße sind gebräuchlich? Die gebräuchlichen Konzentrationsmaße sind der Molenbruch κ, der den relativen Stoffmengenanteil einer Lösung angibt, die Molalität b, die die Stoffmenge der gelösten Substanz in kg des Lösungsmittels angibt und die Molarität c, die die gelöste Stoffmenge pro Liter Lösung angibt.. Wie kommt Dissoziation zustande? Den Zerfall eines Moleküls in zwei oder mehr geladene Bestandteile bezeichnet man als Dissoziation. Für diesen Vorgang wird Energie (Dissoziationsenergie) benötigt. Bei der Dissoziation in Lösungsmitteln entsteht jedoch durch die Anlagerung der polarisierten Lösungsmittelmolekülen die sogenannte Solvatationsenergie. Ist die frei werdende Solvatationsenergie größer als die benötigte Dissoziationsenergie, so wird die überschüssige Energie als Wärme freigesetzt. Wir aber mehr Energie zur Dissoziation benötigt als die Solvatationsenergie liefert, so wird der Lösung Wärme entzogen. Es handelt sich um exotherme bzw. endotherme Reaktionen..5 Was versteht man unter einem Dissoziationsgrad? Auf welche Weise kann er bestimmt werden? Der Dissoziationsgrad kann aus verschiedenen Versuchen bestimmt werden, sofern sie Angaben über die Anzahle der gelösten Teilchen in einer Lösung liefern. Geeignet sind z.b. Bestimmung der Dampfdruckerniedrigung, Siedepunkterhöhung oder Gefrierpunkterniedrigung. Auch aus der elektrolytischen Leitfähigkeit können Angaben gewonnen werden, allerdings nur bei schwachen Elektrolyten. Der Dissoziationsgrad errechnet sich dann aus folgender Formel: n n α =, wobei n die Anzahl der nach der Dissoziation gelösten Teilchen, n die z Teilchenanzahl der zu lösenden Substanz und z die Anzahl der Teile in die ein Molekül dissoziiert bezeichnet.

13 . Warum hat eine Salzlösung einen geringeren Dampfdruck als das Lösungsmittel allein? Die Wassermoleküle sind durch die Anlagerung an die geladenen Teilchen des dissoziierten Salzes stärker gebunden, d.h. weniger Wassermoleküle können aus der Flüssigkeit austreten und in die Dampfphase übergehen. Somit sinkt der Dampfdruck bei einer Salzlösung..7 Wie ist aus Gl. ersichtlich, dass die Schmelzdruckkurve steil verläuft? Die Schmelzdruckkurve steigt stark an, da das Volumen im flüssigen Zustand nahezu gleich dem Volumen im festen Zustand ist. D.h. in Gl. geht der Nenner gegen und der ganze Ausdruck gegen unendlich (daher der steile Verlauf).. Erklären Sie die Funktionsweise des Kältebades! Warum kühlt sich das Eis Wassergemisch ab, wenn Viehsalz zugesetzt wird? Kann man statt Viehsalz auch ein anderes Salz hinzugeben? Gibt man Viehsalz in ein Eis-Wassergemisch, so dissoziiert das Salz. Da in diesem Fall die Energiedifferenz zwischen Dissoziationsenergie und Solvatationsenergie positiv ist (endotherme Reaktion), wird die zusätzlich benötigte Energie dem Eiswasser entzogen, welches sich dadurch abkühlt. Im Grunde kann man jedes Salz verwenden, bei dem die Dissoziationsenergie größer ist als die Solvatationsenergie des Eiswassers..9 Warum ist die Änderung des elektrischen Widerstandes mit der Temperatur bei Halbleitern größer als bei Metallen? Bei Halbleitern müssen die leitende Elektronen erst in das Leitungsband übergeführt werden. Eine Erhöhung der Temperatur führt zu mehr Elektronen im Leitungsband und zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Das wiederum bedeutet, dass der Widerstand sinkt. Bei Metallen ist die Zahl der leitenden Elektronen nicht so stark von der Temperatur abhängig, da immer freie Elektronen zur Stromleitung verfügbar sind und diese nicht erst in ein Leitungsband höherer Energie angehoben werden müssen. Daher ist der Widerstand bei Halbleitern stärker temperaturabhängig als bei Metallen.. Was bedeutet der Begriff "negativer Temperaturkoeffizient des Thermistors"? Ist der Temperaturkoeffizient negativ, so hat die Widerstands-Temperaturkurve eine negative Steigung. Der Widerstand ist also indirekt proportional zur Temperatur, d.h. je größer die Temperatur ist, desto kleiner ist der dazugehörige Widerstand.