Санкт-Петербургский национально - исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Кафедра Информационных технологий топливно-энергетического комплекса

Лабораторная работа №1

«Определение эквивалентной массы тела»

Выполнил: студент Жадин А.В.

Гр. № 1301

Преподаватель: Олехнович А.О.

Санкт-Петербург

2011 г.

Теоретическая часть.

Химическим элементом называется вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра и характеризуется определенным зарядом ядра (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом и др. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам. Понятие “химический элемент” не тождественно понятию “простое вещество”.

Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами плавления и кипения и др. Эти свойства относятся к совокупности атомов.

Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом, и др. Свойства элементов относятся и к его отдельным атомам.

Относительной атомной массой элемента называется масса его атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м).

Относительные атомные массы элементов, численно равные мольным массам, приведены в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Единицей измерения количества вещества в химии является моль.

Моль - это количество вещества определенного химического состава, содержащее то же число частиц (атомов, молекул, ионов, электронов, фотонов или других частиц) какое имеется в 0,012 кг. изотопа углерода-12. Число единиц в 1 моле Na = 6,02_*10³². Эта величина называется постоянной Авогадро.

Масса вещества, взятого в количестве 1 моль, называется молярной массой. Её выражают в (кг/моль) или (г/моль). Масса и количество вещества - понятия разные. Масса выражается в килограммах, а количество вещества - в молях. Молярная масса простого или сложного вещества содержит Na атомов или молекул.

Из закона Авогадро следует, что молярный объем любого газа при нормальных условиях составляет V= 22,4 л/моль.

Элементы взаимодействуют друг с другом в строго определенных количественных соотношениях. Согласно закону эквивалентов, при образовании молекулярных веществ из элементов, они соединяются друг с другом массами, пропорциональными массам их химических эквивалентов.

Эквивалент-это условная частица вещества, которая в кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в окислительно-восстановительной реакции - электрону.

Химическим эквивалентом элемента также называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Например в соединениях HCL, H₂S, MH₃, CH₄, эквиваленты хлора, серы, азота, углерода равны, соответственно, 1 моль, 1/2 моля, 1/3 моля, 1/4 моля.

Эквивалентная масса или молярная масса эквивалента – это масса 1 моля эквивалента вещества. Так, в приведенных выше примерах,

Эквивалентные массы хлора, серы, азота, углерода, соответственно равны (г/моль) : 35,45/1=35,45; 32/2=16; 14/3=4,67; 12/4=3; т.е

Э=А/В, где А - молярная масса элемента, В – стехиометрическая валентность элемента.

Экспериментальная часть.

Цель работы − определение эквивалента металла (магния) опытным

путем с использованием волюмметрического метода.

Оборудование и реактивы:

1. Волюмметрическая установка (рис.1), состоящая из измерительной бюретки (3) –(1см3 = 1 мл), сосуда для проведения реакции (1), уравнительного сосуда (4) с водой, крана (2). 2. Барометр. 3. Термометр. 4. Раствор серной кислоты с концентрацией 3н. 5. Навеска магния в бумажном пакетике. 6. Мерный цилиндр. 7. Стакан для слива кислоты

Порядок проведения работы:

1. Пользуясь мерным цилиндром, отмерить 10–15 мл раствора серной кислоты. Залить кислоту в реакционный сосуд (1), следя, чтобы кислота не попала в углубление сосуда, куда будет помещена навеска металла. Установить реакционный сосуд в держателе на передней панели установки, так чтобы углубление на стенке сосуда было направлено вниз.

2. Записать в протокол измерений массу металла, поместить навеску (не разворачивая бумажного пакета!) в углубление на стенке реакционного сосуда. Закрыть сосуд пробкой, предварительно смочив ее водой для герметичности.

3. Открыть кран (2) на атмосферу. Поднять уравнительный сосуд (4) вверх, вытесняя воздух из измерительной бюретки, пока уровень воды в бюретке (3) не достигнет отметки "0". Уровни воды в уравнительном сосуде и в бюретке должны совпадать. Закрыв кран (2), отсоединить систему от атмосферы.

4. Проверить герметичность установки. Для этого опустить уравнительный сосуд вниз на 15 – 20 см и следить за уровнем воды в бюретке (3). Если система герметична, то уровень воды в бюретке немного (на 1 – 2 мл) понизится, а затем останется постоянным. В противном случае уровень жидкости будет постепенно понижаться. Тогда необходимо устранить поступление воздуха в систему и повторить проверку герметичности.

5. Убедившись в герметичности системы, поднять уравнительный сосуд и вновь совместить уровни в бюретке и уравнительном сосуде на нулевой отметке.

6. Реакционный сосуд снять с держателя и перевести в вертикальное положение так, чтобы навеска упала в кислоту. В результате взаимодействия магния с серной кислотой выделяется водород, вытесняя воду из измерительной бюретки. Встряхивая сосуд, добиться полного взаимодействия магния с кислотой. Сосуд при этом разогревается, т.к. протекающая реакция сопровождается выделением теплоты (экзотермическая реакция). Через 5–10 мин после окончания реакции (выделение пузырьков водорода прекращается) и охлаждения реакционного сосуда до комнатной температуры, провести отсчет показаний по шкале бюретки. Отсчет проводится после того, как уровни жидкости в бюретке и уравнительном сосуде будут точно совмещены. Желательно, чтобы они были совмещены и во все время прохождения реакции. Записать в протокол полученное значение изменения объема.

Жадин А.В.

Гр.№ 1301

24.10.2011 г.

Лист измерений

Лабораторная работа №1

«Определение эквивалентной массы тела»

V_С, мл. = 76 (76 _* 10^-3 Л.)

V_К, мл. = 13 (13 _* 10^-3 Л.)

T_{воздуха}, С = 25 (298,15 K)

Р_атм, мм. РТ. ст. = 773 (103118,2 Па)

m_Mg, мг.= 30 (30 _* 10^-3 г.)

ΔV, мл.= 32.3 (32.3 _* 10^-3 Л.)

Последовательность расчетов:

В результате проведения эксперимента получены следующие данные:

Объем системы – V_С, мл (это внутренний объем системы до "0"

измерительной бюретки); объем кислоты – V_К, мл; изменение объема в результате выделения водорода – ΔV, мл; температура в помещении – T, К; атмосферное давление – Р_атм., Па. Часть системы занята кислотой, поэтому начальный объем газа равен V₁ = V_C – V_K. Давление внутри системы равно атмосферному давлению Р_атм., оно складывается из парциальных давлений компонентов воздуха (кислород, азот и др.) р_1В и насыщенных паров воды р_Н2О. Величина давления р_Н2О при температуре проведения эксперимента берется из таблицы 1.

Зная р_Н2О и атмосферное давление Р_атм., можно рассчитать р_1В;

p_1В = Р_атм. – р_Н2О.

p_H2O=3159 (из. Таб)

р_1B= 103118.2 – 3159 = 99959.2 Па.

По окончании реакции, объем газа в системе увеличился:

V₁ = V_C – V_K.

V₁ = (76 – 13) _* 10^-3 = 63 _* 10^-3 Л.

V₂ = V₁ + ΔV.

V₂ = (63 + 32.3) _* 10^-3 = 95.3 _* 10^-3 Л.

Общее давление внутри системы теперь, как и прежде, равно атмосферному, но складывается уже из парциальных давлений воздуха р_2В, паров воды р_Н2О и водорода р_Н2:

Р_атм = р_2В + р_Н2О + р_Н2.

Давление р_Н2О зависит только от температуры и поэтому в ходе опыта не меняется. Следовательно, парциальное давление воздуха уменьшается и может быть рассчитано по газовому закону Бойля-Мариотта:

р_1B V₁ = V₂ р_2B.

P_2B = (p_1B V₁) / V₂.

P_2B = (99959.2 _* 63 _* 10^-3) / 95.3 _* 10^-3 = 66080 Па.

Парциальное давление водорода в смеси равно:

р_Н2 = Р_атм. – р_2В – р_Н2О.

Р_Н2 =103118,2 –66080 -3159 =33879,2 Па.

Рассчитать массу выделившегося водорода по уравнению состояния

идеального газа:

m_Н2 = М_{Н2 *} ν = 2,016 _* ((р_{Н2 *} V₂) / (R _* T))

m_Н2 = 2.016 _* ((33879.2 _* 0.0953) / (8.315 _* 298,15) = 2,63 г. = 2,63 _* 10^-3 кг.

где М_Н2 − молярная масса водорода, ν − число молей выделившегося водорода.

Эквивалентная масса металла рассчитывается по формуле:

Э_Mg = 1.008 _* (М_Mg / m_H2).

Э_Mg = 1.008 _* (30 _* 10^-3 / 2.63 _* 10^-3) = 11.5 г.

где m_Mg − масса навески магния, г; m_Н2 − масса выделившегося водорода, г.

Зная валентность магния, можно вычислить его мольную массу (М_Mg) и

оценить ошибку по формуле:

δ = |M_табл. - М_эксп.| / M_{табл. *} 100 %.

δ = |24,305 - (2 _* 11.5)| / 24,305 _* 100 % = 5%

Вывод: Опытным путем с использованием волюмметрического метода определен эквивалент металла магния. Погрешность в расчетах не превышает допустимые нормы, результат можно считать действительным.