Лабораторная работа № 1 определение эквивалентной и мольной массы металла

Цель работы: Приобретение навыков экспериментального определения эквивалентной и мольной массы металла по объему вытесненного водорода.

В основе работы лежит способность некоторых активных металлов вытеснять водород из растворов кислот (HCl, H₂SO₄) по реакции

2 Me + 2n H⁺ = 2 Meⁿ⁺ + n H₂,

где Me = Mg, Al, Zn, Fe и другие.

И

змерив объем водорода, вытесненного из кислоты металлом заданной массы, и применив закон эквивалентов, можно определить эквивалентную массу, а затем и мольную массу металла.

Объем выделившегося в результате реакции водорода можно определить при помощи установки, изображенной на рис. 1. Установка состоит из бюретки 1 и химической воронки 2, соединенных каучуковой трубкой 3, и представляющих собой сообщающиеся сосуды, закрепленные на штативе 4. К бюретке присоединена пробирка 5.

Расположите воронку на штативе 4 так, чтобы уровень воды в бюретке находился на нулевой отметке (или на 0,1-0,5 мл ниже), а сама воронка была заполнена водой примерно наполовину.

Перед началом работы убедитесь в герметичности установки. Для этого, проверив, плотно ли закрыты отверстия 6 и 7, поднимите воронку на 10-15 см, закрепите ее в этом положении и наблюдайте в течение 1-2 минут за уровнем воды в бюретке. Если уровень воды за это время не меняется, значит, герметичность соединений обеспечена, и можно приступать к работе.

П

Рис. 1. Установка для определения эквивалентной массы металла по водороду

олучите навеску металла (m≈ 0,03-0,05 г) у преподавателя. По нижнему краю мениска замерьте уровень воды (V₁) в бюретке 1. Держа пробирку в наклонном положении, осторожно поместите в нее навеску металла так, чтобы после присоединения пробирки к установке металл находился ниже пробки, но не касался кислоты. Вновь проверьте герметичность установки, чтобы исключить потери выделившегося в результате реакции водорода. Затем установите пробирку вертикально, чтобы весь металл упал в кислоту.

После окончания реакции дайте пробирке охладиться (2-4 мин) и, перемещая воронку по штативу, установите одинаковый уровень воды в бюретке и воронке. Замерьте уровень воды в бюретке (V₂). Разность двух значений уровня воды в бюретке, до и после реакции металла с кислотой, дает объем выделившегося водорода V = V₂  V₁.

В лабораторном журнале вычертите таблицу 1, в которую внесите полученные данные. Туда же запишите показания термометра и барометра во время опыта.

Необходимо учесть, что водород, собранный над водой в бюретке, содержит водяной пар. Поэтому общее давление в бюретке (Р_атм), равное атмосферному, складывается из парциальных давлений газообразного водорода Р(Н₂) и насыщенного водяного пара Р(Н₂O): Р_атм = Р(Н₂) + Р(Н₂O).

Тогда Р(Н₂) = Р_атм  Р(Н₂O)_.

Давление водяного пара при температуре эксперимента определите из табличных данных (табл. 2.).

Расчеты

Расчет мольной массы эквивалента (эквивалентной массы) металла М_{Э оп} по экспериментальным данным следует проводить двумя способами:

1) по массе выделившегося водорода m(Н₂) с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона:

m(Н₂)

(Р_атм – Р_Н2O) • V(Н₂₎ =  R • T,

M (Н₂)

(Р_атм. – Р_Н2O) • V(Н₂) • M (Н₂)

m (Н₂₎ = ^{_________________________________________}

R • T

и далее по закону эквивалентов:

m_(Me) M_{Э (Ме)}

 = 

m (Н₂) M_Э (Н₂)

m_(Me) • M_э (Н₂)

вычисляем М _Э(Ме) : М _Э(Ме) = ^{________________________} .

m (Н₂)

2) по объему выделившегося водорода с использованием объединенного газового закона: приводят объем выделившегося в результате реакции водорода V(Н₂) к нормальным условиям V_о (Н₂ ):

P_о • V_о (Н₂₎ (P_атм  Р_Н2O) • V (Н₂)

 =  ,

T_о T

Т_о (Р_атм. - Р_Н2O) • V (Н₂)

V_о (Н₂) = ^{_________________________________}

P_о • T

и далее по закону эквивалентов с использованием эквивалентного объема водорода

m_(Ме) М_Э(Ме)

 = ,

V_о (Н₂) V_э (Н₂)

где V_э(Н₂) = 11,2 л/моль = 11200 мл/моль, V_о(Н₂) – объем водорода, приведенный к нормальным условиям; р_о и Т_о – значения давления и температуры при нормальных условиях.

Вычислите М_{Э (Ме)} :

m _(Me) • V_э (Н₂)

М_{Э (Ме)} =

V_о (Н₂)

Вычислите среднее значение эквивалентной массы металла:

М_Э(Ме) + М_Э(Ме)

М _{Э(Ме) оп} =  и запишите его в табл. 1

2

.

Если валентность металла (W) известна, находите экспериментальное значение молярной массы металла – М _{(Ме) оп}: М _(Ме)оп = М _Э(Ме)оп • W.

По значению молярной массы М_{(Ме) Оп} и его валентности по периодической системе элементов определите металл и теоретическое значение его молярной массы М_{(Ме) теор.}

Если валентность металла неизвестна, следует последовательно придавать ей значения 1, 2, 3. Затем, умножая мольную массу эквивалента на значение валентности, определите возможные значения мольной массы металла и сравните их с подходящими по величине мольными массами элементов в периодической системе. Если свойства металла совпадают со свойствами элемента в данном месте таблицы, то делается вывод о том, что исследуемый металл определен, находится его валентность и теоретическое значение молярной массы.

Далее рассчитайте теоретическое значение эквивалентной массы:

М_{(Ме) теор}

М _{Э(Ме) теор} = ,

W

и погрешности (ошибки) опыта (по молярной массе):

абсолютную  _абс =  М_{(Ме) теор}  М_{(Ме) оп} ;

_абс

относительную  _отн =  •100 %.

М_{(Ме) теор}

Все рассчитанные значения занесите в таблицу 1.

Сделайте письменный вывод по проделанной работе и выполненным расчетам.

Таблица 1

Экспериментальные и расчетные данные опыта по определению эквивалентной массы металла

Масса навески металла, г		m (Me)
Условия опыта	атмосферное давление, Па	ратм
	температура, К	T
Давление насыщенного водяного пара, Па		р(Н2О)
Давление газообразного водорода в условиях опыта, Па		р(Н2)
Уровень воды, м3	до опыта	V1
	после опыта	V2
Объем водорода в условиях опыта, м3		V(Н2)
Объем водорода, приведенный к н.у., м3		Vо (H2)
Мольная масса металла, г/моль	опытная	М опыт
	теоретическая	М теор
Погрешности опыта	абсолютная, г/моль	 абс,
	относительная, %	 отн

Таблица 2