Protokoll Dampfdruck. Punkte: /10

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Dominic Meinhardt
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1 Protokoll Dampfdruck Gruppe Biologie Assistent: Olivier Evelyn Jähne, Eva Eickmeier, Claudia Keller Kontakt: Sommersemester Juni 2006 Punkte: /0

2 . Einleitung Wenn eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Gefäss verdampft, verbleiben die Moleküle in der Gasphase in der Nähe der Flüssigkeit. Wegen ihrer ungeordneten Bewegung kehren manche Moleküle in die Flüssigkeit zurück. Abbildung Gleichgewicht zwischen Gasphase und flüssiger Phase Gasphase Flüssigkeit Nach einiger Zeit wird ein Zustand erreicht, bei dem die s- und Kondensationsgeschwindigkeit gleich gross sind. Im Gleichgewichtszustand bleibt die Konzentration der Moleküle im Dampf konstant, weil pro Zeiteinheit gleich viele Moleküle den Dampf durch Kondensation verlassen wie durch neu hinzukommen (dynamisches Gleichgewicht). Da im Gleichgewichtszustand die Konzentration der Moleküle im Dampf konstant ist, ist auch der Druck, den der Dampf ausübt konstant. Der Druck des Dampfes, der bei gegebener Temperatur mit der Flüssigkeit im Gleichgewicht steht, wird Dampfdruck genannt. Der Dampfdruck einer gegebenen Flüssigkeit hängt sowohl von der Art der Flüssigkeit, als auch von der Temperatur ab; er steigt mit zunehmender Temperatur. Die Temperatur, bei welcher der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich gross ist wie der äussere Atmosphärendruck, ist der Siedepunkt der Flüssigkeit. Für das Gleichgewicht zwischen zwei Phasen gilt die Clausius-Clapeyronsche Gleichung: Formel dp S = dt V m,gas m,gas S V Clausius-Clapeyron-Gleichung m,flüssig m,flüssig S = V Ausserdem gilt im Gleichgewicht: Formel 2 = = G 0 H Gibbsche Gleichung T S Einsetzen von Formel 2 in Formel ergibt: Formel 3 dp H = dt T V Verdampufng Ferner können folgende Annahmen getroffen werden: a) H verdampfung ist im gemessenen Bereich temperaturunabhängig 2

3 b) V m, Flüssigkeit << V m, Gas ( Mol H 2 O (l) = 8g = 8 ml; Mol H 2 O (g) 22.4 L = ml) c) Für die Gasphase gilt V m p = R T Formel 4 d(lnp) H = dt R T 2 Formel 5 Integration von Formel 4 p T H d(lnp) = dt 2 R T p0 ln p p 0 H = R T0 T T0 Misst man also den Dampfdruck bei verschiedenen Temperaturen, kann durch Auftragung von LN(p) auf der y-achse und T - auf der x-achse H aus der Steigung der Gerade bestimmt werden. 3

4 2. Experimentelles a) Material Bei der Messung des Dampfdrucks können folgende Probleme auftreten: Das Manometer (Druckmessgerät) der Apparatur sollte unter keinen Umständen mit der Substanz in Verbindung kommen. Außerdem sollte der mit Dampf gefüllte Gasraum isotherm (=konstante Temperatur) bleiben. Diese Probleme löst das Isoteniskop, welches zur Verfügung stand, elegant. Hierbei handelt es sich um eine Glasapparatur, welche der Bestimmung des Dampfdrucks von verschiedenen Flüssigkeiten dient. Abbildung 2 Isoteniskop Kühler Kapillare (zur Feinregulation des Druckes) Dilatometer Kolben (sgefäss) Manometer Thermostatisierbad Saugflasche Unterdruck Die zu untersuchende Flüssigkeit befindet sich in einem Glaskolben. Dieser ist mit dem Druckmessgerät über ein U-Rohr verbunden, in dessen Senke ebenfalls die zu untersuchende Substanz kondensiert (Dilatometer). Dieses U-Rohr dient als relativer Druckmesser zwischen dem isothermen Gasraum und dem Außenraum, in dem sich ein Rückflusskühler und das absolut messende Manometer befindet. Am Außenraum ebenfalls angeschlossen ist eine Vakuum- Pumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks. Verändert sich nun durch Temperaturerhöhung/-Erniedrigung des isothermen Gasraums der Dampfdruck der Flüssigkeit, so ändert sich der Flüssigkeitspegel im U-Rohr. Er kann durch entsprechende Zufuhr oder Abpumpen von Neutralgas im Außenraum wieder ausgeglichen werden. Der Druck im Außenraum entspricht dann wieder dem Druck im Innenraum. Der Gasdruck im Innenraum (=Dampfdruck der zu messenden Substanz) kann deshalb durch die Messung des (identischen) Drucks im Außenraum bestimmt werden. 4

5 b) Versuchsdurchführung Zu untersuchen waren folgende zwei Lösungsmittel: Isopropanol Methanol OH OH Zuerst wurde mit einer Pipetierspritze Isopropanol in das sgefäß gefüllt. Über die Kapillare wurde nun der richtige Druck eingestellt, den man langsam durch ständiges Ausgleichen an den Punkt brachte, bis die Flüssigkeit siedet. Der Dampf kondensierte allmählich und gelangte über den Kühler in das Dilatometer. Durch Schließen der Luftzufuhr und des Hahns wurde ein Unterdruck angelegt. Schließlich wurde der Hahn an der Kapillare wieder geöffnet und langsam der Druck erhöht, bis die Menisken im Dilatometer auf beiden Seiten des U-Rohrs auf gleicher Höhe standen. Dies war der Fall, wenn der Dampfdruck von innen dem von aussen angelegten Druck entsprach. Der auf dem Manometer angezeigte Druck ist der gesuchte Dampfdruck. Dieser Messvorgang wurde bei 70 C gestartet und im Abstand von 5 C pro Temperatur bis 30 C jeweils dreimal durchgeführt. Das Thermostatisierbad wurde zwischen den Messungen zusätzlich mit einer Wasserkühlung gekühlt, um eine schnellere Temperatureinstellung zu ermöglichen. Insbesondere wurde bei der Messung darauf geachtet, den vorhandenen Unterdruck zwischen dem Dilatometer und dem sgefäß beizubehalten, um keinen Überdruck entstehen zu lassen. Luftblasen könnten sonst von aussen in das sgefäss gelangen, was eine nicht homogene Gasphase und somit eine Verfälschung der Resultate zur Folge hätte. Da der Siedepunkt von Methanol schon bei 65 C liegt, wurde der Messvorgang erst bei 60 C gestartet. 5

6 3. Ergebnisse Tabelle Messwerte Isopropanol P [ mbar ] T [ C ] 2 3 Mittelwert Methanol P [ mbar ] T [ C ] 2 3 Mittelwert Abbildung 3 Temperaturabhängigkeit des Dampfdruckes Temperaturabhängigkeit des Dampfdruckes ln(p) Isopropanol Methanol /T Steigung der Kurve = - H verdampfung / R H verdampfung, Isopropanol = J mol - K - (5379 K) = 45 kj mol - H verdampfung, Methanol = J mol - K - (4537 K) = 38 kj mol - 6

7 4. Diskussion In der Literatur wurden die folgenden Werte für den Dampfdruck gefunden: Isopropanol (24 C): 40mm = 53.3 mbar Methanol (20 C): 96mm = 28 mbar Gemäss Formel 4 wurde nun der experimentell bestimmte Dampfdruck über die senthalpie auf diese beiden Temperaturen zurück gerechnet, um die Genauigkeit der Resultate zu vergleichen. Isopropanol H verdampfung lnp = R T J mol lnp = 8.345J K mol T 0 lnp 297K K ln(85 0 Daraus errechnet sich ein Dampfdruck bei 24 C für Isopropanol von 5745 Pa oder 57mbar. Der Fehler gegenüber dem Literaturwert beträgt demnach absolut 45 Pa oder relativ 8%. Methanol (Vorgehen wie bei Isopropanol) Daraus errechnet sich ein Dampfdruck bei 20 C für Methanol von 3397 Pa oder 34mbar. Der Fehler gegenüber dem Literaturwert beträgt demnach absolut 597 Pa oder relativ 5%. 2 ) Als Fehlerquellen werden folgende Aspekte in Betracht gezogen: - Ungenaue Temperaturmessung: Diese wurde im Wasserbad gemessen dort kann es zu einer nicht ganz homogenen Temperaturverteilung gekommen sein. Besser wäre es die Temperatur der Gasphase/Flüssigkeit direkt zu messen. Dies hätte dann allerdings die Apparatur komplizierter gemacht (Gasphase darf keine Luft enthalten, etc.). - Ungenaue Druckeinstellung und -ablesung: Der Druck konnte nur auf mbar genau abgelesen werden. Des weiteren war oftmals die Fein-Einstellung des Aussendrucks mit der Kapillare auf nur -2mbar genau möglich, weshalb ein Fehler von 4-5mbar sich akkumuliert haben könnte. - Kleine Luftreste in der Gasphase: Es sind vermutlich Reste von Luft in der Gasphase verblieben, welche das Ergebnis verfälscht haben. Eine genaue Messung ist nur mit einer absolut reinen Gasphase möglich. 7

8 5. Aufgaben Bereits weiter oben gelöst. 6. Literatur Mortimer/Müller Chemie (Thieme, 2003, 8. Auflage) Atkins & de Paula Physical Chemistry (Freeman, 2002, 7. Auflage) Praktikumsunterlagen PC Dampfdruck 8

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