Лабораторная работа № 2 молярная масса. Химический эквивалент

Цель работы

Изучение метода определения молярной массы вещества в газовом состоянии и способа определения молярной массы эквивалента металла по объему вытесняемого им водорода из соединений.

Оборудование и реактивы

Аппарат Киппа с двумя промывными склянками, весы технохимические и разновес, барометр, термометр, эвдиометр, вата, газоотводные трубки, кристаллизатор, мерный цилиндр, плоскодонная колба (200–250 мл) с пробкой, пробирки, резиновые трубки, спиртовка, спички, штатив, фильтро­вальная бумага.

Навеска металла около 0,2 г (Mg, Zn или Fe), перманганат калия KMnO₄ (к); растворы: соляная кислота HCl (2 М), серная кислота H₂SO₄ (2 М), гидрокарбонат натрия NaHCO₃ (насыщ.).

Экспериментальная часть

Опыт 1. Определение молярной массы диоксида углерода

Взвесьте на технохимических весах с точностью до 0,01 г колбу 200–250 мл с воздухом плотно закрытую пробкой (отметьте уровень пробки). Запишите массу колбы с воздухом: т₁ = __________ (г).

Наполните колбу СО₂ из аппарата Киппа (рис. 1), пропустив газ через промывные склянки с раствором NaHCO₃ и кон­ц. H₂SO₄. Через 4–5 мин, не закрывая крана у аппарата Киппа, выньте газоотводную трубку из колбы, закройте колбу пробкой и взвесьте колбу с СО₂. Повторно заполните колбу СО₂ и взвесьте. Результаты взвешиваний не должны расходиться более чем на 0,01 г. Иначе повторите наполнение и добейтесь постоянной массы колбы. Запишите массу колбы с СО₂: т₂ = __________ (г).

Рис. 1. Установка для получения диоксида углерода: 1 – аппарат Киппа; 2 – осушительные склянки с раствором NaHCO3 и кон­ц. H2SO4; 3 – приемная колба

Измерьте объем колбы, наполнив колбу водой до метки колбы и вылейте воду в мерный цилиндр. Запишите объем колбы: V = __________ (мл).

Запишите температуру опыта t = __________ °C и перевести ее в абсо­лютную температуру (Т = t + 273) Т = __________ К.

По показанию барометра отметьте атмосферное давле­ние р = __________ (кПа).

Зная р, V, Т и используя уравнение Менделеева-Кла­пейрона, рассчитайте массу воздуха в колбе: т₃ = 29 • p • V / (R • T) = ________________________________________ (г)

Рассчитайте массу колбы (с пробкой) без воздуха: m₄ = m₁ – m₃ = ___________(г)

Определите массу СО₂ в колбе: т₅ = т₂ – m₄ = ___________________________ (г)

Приведите объем газа V к нормальным условиям (н.у.) по уравнению:

V₀ • P₀ / T₀ = V • p / T,

где Т – температура (к); V_o – объем при Т_о = 273 К и давле­нии р₀ = 101,325 кПа.

________________________________________________________________________________

Вычислите молярную массу СО₂:

1) по относительной плотности СО₂ по воздуху

М(СО₂) = m₅ • M(возд.) / m₃ = ____________________________________________(г)

2) по молярному объему газа:

М(СО₂) = m₅ • 22,4 / V₀ = _______________________________________________ (г)

3) по уравнению Менделеева-Клапейрона:

М(СО₂) = m₅ • R • T / p • V = _____________________________________________ (г)

Вычислите среднее значение молярной массы по результа­там трех расчетов с точностью до 0,01 г (М_пр) и относительный процент ошибки, подсчитав с точностью до 0,01 г теоретическое значение молярной массы СО₂:

П = (М_теор – М_пр) / М_теор) • 100%

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 2. Определение молярной массы кислорода

В сухую пробирку поместите 2–3 г KMnO₄ (к), закройте тампоном из ваты и взвесьте на технических весах: m₁ = _________ (г).

П

Рис. 2. Прибор для сбора

газа вытеснением воды

робирку закройте пробкой с газоотводной трубкой, закрепите в штативе (с небольшим накло­ном в сторону пробки во избежание растрескивания пробирки при на­гревании из-за выделяющейся воды). Заполните мерный цилиндр водой и, закрыв его стеклянной пластинкой, переверните вверх дном в кристаллизаторе с водой, под цилиндр подведите трубку от пробирки (рис. 2).

Нагрейте пробирку над спиртовкой до завершения реакции. Затем выньте, не прекращая нагревания, конец газоотводной трубки и охладите пробирку в течение 10–15 мин. Снимите пробку с газоотводной трубкой и взвесьте пробирку с оставшимся веществом и тампоном: m₂ = _________ (г).

Измерьте объем выделившегося О₂ в цилиндре V = _________ (мл) и с помощью миллиметровой линейки расстояние от уровня воды в кристаллизаторе до уровня воды в цилиндре Н = _________ (мм).

Запишите показания термометра t = _________ °C и барометра р = ________ мм рт. ст.

Приведите объем выделившегося кислорода к нормальным условиям, учитывая атмосферное давление (р), давление водяных паров при данной температуре (h) и давление столба жидкости (Р_В), равное высоте жидкости (Н, мм), деленной на плотность ртути, т.е. Р_В = Н / 13,6. Так как, парциальное давлении кислорода выражается формулой: Р_К = Р – (h + Р_В), то формула для приведения объема кислорода к нормальным условиям примет вид:

V₀ = V • P_K • T₀ /Р₀ • T = V • [Р – (h + Р_В)] •273 / Р₀ •T

________________________________________________________________________________

По разности взвешивания определите массу кислорода: m₀ = m₁ – m₂ = __________ (г).

Вычислите молекулярную массу кислорода: n = m/M; n = V₀ / V_m;

M = m • V_m / V₀= ________________________ (г/моль), учитывая, что V_m = 22400 мл.

Вычислите относительный процент ошибки, подсчитав теоретическое значение объема кислорода: П = (V_теор – V_пр) / V_теор) • 100%

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 3. Определение молярной массы эквивалента металла

Наполните эвдиометр водой так, чтобы в градуированном цилиндре вода находилась на нулевом делении и в обоих цилиндрах на одинаковом уровне (рис. 3). Проверьте герметичность прибора – вставьте пробку в реакционную колбу и опустите уравни­тельный цилиндр на 15–20 см ниже его начального положения. Если прибор герметичен, то уровень воды в градуированном цилиндре несколько понизит­ся и останется без изменения. При герметичности прибора уравнительный цилиндр поднимите в начальное положение.

Рис. 3. Эвдиометр: 1 – уравнительный цилиндр; 2 – градуированный цилиндр; 3 – резиновые трубки; 4 – резиновая пробка со стеклянной трубкой; 5 – реакционная колба

Взвесьте кусочек металла (Mg, Zn или Fe) с точностью до 0,001 г: т = __________ (г). Рассчитайте по уравнению реакции Me + 2HCl = MeCl₂ + H₂. Какой объем разб. соляной кислоты (см. плотность кислоты) необходим для полного растворения металла?

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Отмерьте полуторный объем кислоты по сравнению с тре­буемым и, не смачивая стенок горла колбы, вы­лейте кислоту в реакционную колбу. Поместите взвешенный ме­талл, завернутый в фильтровальную бумагу, в горло колбы и плотно закройте колбу пробкой. Наклоните колбу, чтобы кусочек металла упал в колбу (реакция с железом требует подогрева, для этого реакционную колбу необходимо периодически по­гружать в баню с горячей водой). После окончания реакция оставьте прибор на 10 мин. для охлаждения газа до комнатной температуры.

Воду в градуированном и уравнительном цилиндрах при­ведите к одному уровню и, если в течение 1 мин не наблюдается изменения уровня, определите объем выделившегося водоро­да по делениям градуированного цилиндра: V_пр = ___________ (мл).

Запишите показания термометра t = ___________ °C и барометра р = ___________ кПа. Найдите давление насыщенного водяного пара при темпера­туре опыта рН₂О = ___________ кПа. Объем выделившегося водорода приведите к нормальным условиям:

_________________________________________

По данным опыта вычислите с точностью до 0,01 г моляр­ную массу эквивалента металла M(1/zMe). Для этого рассчитать массу водорода по уравнению Менделеева-Клапейрона: т = p • V • M / (R • T) =____________________________________________(г), затем молярную массу эквивалента металла по закону эквивалентов:

____________________________________________

Запишите данные в таблицу по форме:

т, г	t, °C	р, кПа	рН2О, кПа	Von, мл	Vо, мл	M(1/zMe)

Сравните найденную величину молярной массы эквивалента металла с ее теоретическим значением и рассчитайте значение ошибки:

П = [M_теор(1/zMe) – M_пр(1/zMe)] • 100% / M_теор(1/zMe)

________________________________________________________________________________

Вывод: ___________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Контрольные задания

1. Какова мольная масса следующих веществ: HNO₃, Al(OH)₃, Cr₂O₃, FeSO₄, K₂SO₄, Na₃PO₄, NaCl, K₂CO₃? Определите число молей, содержащихся в 200 г каждого вещества.

2. Сравните число молекул аммиака и диоксида углерода, содержащихся в каждом из этих веществ, взятых массой по 2 г.

3. Сколько молей диоксида углерода находится в воздухе объемом 100 м3 (н.у.), если объемная доля диоксида углерода в воздухе составляет 0,03%?

4. Сколько молей содержит любой газ объемом 1 м³ (н.у.)?

5. Вычислите объем газа (н.у.), если при 91 °С и давлении 98642 Па газ занимает объем 608 см³ .

6. Вычислите молекулярные массы газов, если: а) плотность газа по кислороду равна 0,50; б) плотность газа по азоту равна 0,93.

7. Какие газы тяжелее, а какие легче воздуха и во сколько раз: CO₂, NO₂, CO, Cl₂, NH₃?

8. Определите плотность газовой смеси по водороду, если смесь состоит из кислорода и азота объемами 56 дм³ и 28 дм³ (н.у.) соответственно.

9. Чему равна плотность по водороду светильного газа, имеющего следующий объемный состав: 48% H₂, 32% CH₄, 5% N₂, 2% CO₂, 4% C₂H₄, 9% CO?

10. Для паров одноосновной органической кислоты предельного ряда D(возд) = 4. Найдите мольную массу кислоты и напишите ее формулу.

11. При разложении карбоната металла(II) массой 21,0 г выделился СО₂ объемом 5,6 дм³ (н.у.). Установите формулу соли.

12. Найдите формулы соединений, имеющих состав в массовых долях процента: а) серы – 40 и кислорода – 60; б) железа – 70 и кислорода – 30; в) хрома – 68,4 и кислорода – 31,6; г) калия – 44,9; серы – 18,4 и кислорода – 36,7; д) водорода – 13,05; кислорода – 34,78 и углерода – 52,17; е) магния – 21,83; фосфора – 27,85 и кислорода – 50,32.

13. Определите формулы соединений, имеющих состав в массовых долях процента: а) калия – 26,53; хрома – 35,35 и кислорода – 38,12; б) цинка – 47,8 и хлора – 52,2; в) серебра – 63,53; азота – 8,24 и кислорода – 28,23; г) углерода – 93,7; водорода – 6,3.

14. Определите простейшие формулы минералов, имеющих состав в массовых долях процента: а) меди – 34,6; железа – 30,4; серы – 35,0; б) кальция – 29,4; серы – 23,5; кислорода – 47,1; в) кальция – 40,0; углерода – 12,0; кислорода – 48,0; г) натрия – 32,9; алюминия – 12,9; фтора – 54,2.

15. Установите формулы: а) оксида ванадия, если оксид массой 2,73 г содержит металл массой 1,53 г: б) оксида ртути, если при полном разложении его массой 27 г выделяется кислород объемом 1,4 дм³ (н.у.)?

16. Чему равен эквивалентный объем (н.у.) кислорода, водорода и хлора?

17. При сгорании магния массой 4,8 г образовался оксид массой 8,0 г. Определите эквивалентную массу магния.

18. Определите эквивалентные массы олова в его оксидах, массовая доля кислорода в которых составляет 21,2% и 11,9%.

19. Массовая доля кислорода в оксиде свинца составляет 7,17%. Определите эквивалентную массу свинца.

20. Определите эквивалентную массу металла, если массовая доля серы в сульфиде составляет 22,15%, а эквивалентная масса серы равна 16 г/моль.

Пример. При 25 °С и давлении 99,3 кПа (745 мм рт. ст.) некоторый газ занимает объем 152 см³. Найдите, какой объем займет этот же газ при 0 °С и давлении 101,33 кПа?

Решение

Дано: to = 25 oC po = 99,3 кПа Vo = 152 см3 t = 0°С p = 101,33 кПа V – ?

Решение: Р0/Р1 = V1/V0 или РV = const V1/T1 = V0/T0 или V/T = const PV/T = P0V0/T0, откуда V0 = PVT0/TP0 V0 = 99,3 • 152 • 273 / 101,33 • 298 = 136,5 см3 Ответ: 136,5 см3.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________