Laboratorijska vaja: MOLSKA PROSTORNINA PLINA Branka Klemenčič, Gimnazija Novo mesto Alenka Mozer, Gimnazija Vič 1. Cilj laboratorijske vaje: Določiti molsko prostornino plina s pomočjo spremembe tlaka zaradi nastanka plina pri reakciji med klorovodikovo kislino in magnezijem v traku v zaprti posodi. Eksperimentalno dobljeno molsko prostornino plina primerjati s teoretično vrednostjo pri 0 C in 101,3 kpa. (V m = 22,4 L/mol pri 0 C in 101,3 kpa). Izračunati napako pri določanju molske prostornine ter napisati razloge za nastalo napako. 2. Seznam laboratorijskega inventarja, pripomočkov in kemikalij: Na voljo imate: računalnik s programom LoggerPro ali LabQuest, Vernier merilnik tlaka, Vernier merilnik temperature, magnezij v traku, klorovodikovo kislino (1 M), 250 ml čašo za vodno kopel, 100 ml erlenmajerico (grlo se prilega zamašku Vernierjevega merilnika tlaka), analizno tehtnico, merilni valj. 3. Teoretične osnove: Kaj je molska prostornina plina? To je prostornina 1 mol (kateregakoli) plina pri določenem tlaku in temperaturi. Miselni poskus: V posodah sta plina kisik in vodik pri enakih pogojih: P' = 100 kpa, T' = 20 C. V 1 molu kateregakoli plina je vedno enako število molekul/atomov plina (6,02 10 23 ). 0,500 mol O 2 1,00 mol H 2 3,01 10 23 molekul O 2 6,02 10 23 molekul H 2 V(O 2 ) = 12,2 L V(H 2 ) = 24,4 L m(o 2 ) = 16,0 g m(h 2 ) = 2,0 g S primerjavo podatkov ugotovimo: V' m (O 2 ) = V' m (H 2 ) = 24,4 L/mol pri P' = 100 kpa in T' = 20 C Pri temperaturi 0 C in tlaku 101,3 kpa je molska prostornina plina V m = 22,4 L/mol.
Pri laboratorijski vaji boste določili molsko prostornino plina s poskusom, pri katerem se v reakciji med klorovodikovo kislino in magnezijem v traku sprošča plin. Ker boste reakcijo izvedli v zaprti erlenmajerici, bo zaradi nastalega plina tlak naraščal, kar boste izmerili z Vernier merilnikom tlaka. 4. Opis eksperimentalnega dela in varnostnih ukrepov: - Napišite enačbo kemijske reakcije med magnezijem v traku in klorovodikovo kislino z navedenimi agregatnimi stanji. - Kaj veste o nastalem plinu? Na kaj morate biti pozorni pri eksperimentu, da bi zagotovili varno delo? V literaturi poiščite in v poročilo napišite varnostne oznake nevarnosti za klorovodikovo kislino in nastale produkte. V poročilu navedite uporabljeni vir (literaturo). - Kolikšno količino magnezija in klorovodikove kisline predlagate za izvedbo eksperimenta? Svojo izbiro utemeljite (tudi z računom). Pred izvedbo eksperimenta se o izbranih količinah posvetujte s profesorjem. - Sestavite aparaturo po predstavljeni skici. Pred izvedbo poskusa se posvetujte s profesorjem, kako boste spremljali spremembo tlaka in temperature v erlenmajerici. Vir http://www.vernier.com/files/sample_labs/chem-a-05-comp-molar_volume.pdf - V erlenmajerico zatehtajte magnezij na 0,001 g natančno. Iz magnezijevega traku predhodno zbrusite oksidno plast. - Injekcijsko brizgo napolnite z izračunano količino klorovodikove kisline. Upoštevajte, da potrebujete presežno količino kisline.
- S pomočjo programa LoggerPro (File Open Advanced Chemistry with Vernier 05 Molar Volume) ali LabQuesta (Način izberete Časovno osnovo Rang: 1 vzorcev/s Dolžina 300 s V redu) določite spremembo tlaka pri reakciji med magnezijem in klorovodikovo kislino. Poskus izvajate 5 min. Pomembno je, da je aparatura dobro zatesnjena. - Svoje meritve in opažanja zapisujte v tabelo 1. Pri določanju maksimalne vrednosti tlaka si pomagajte s klikom na Analyze (Analiza) Statistics (Statistika) v programu LoggerPro na računalniku ali na LabQuestu. - Poskus izvedite še 2-krat. - Po končanih meritvah čim bolj natančno določite prostornino V 1, ki jo je v erlenmajerici, v kateri ste izvedli poskus, zasedel nastali plin. Z merilnim valjem natančno določite prostornino prazne erlenmajerice. Od te prostornine odštejte prostornino, ki jo zasede klorovodikova kislina, in tisti del, ki ga zasede zamašek. 5. Meritve in/ali opažanja: Tabela 1: Poskus 1 Poskus 2 Poskus 3 m(mg) [g] začetni tlak *kpa+ maksimalna vrednost tlaka [kpa] sprememba tlaka ΔP[kPa] oz. P 1 (nastalega plina) [kpa] temperatura T 1 [K] V(erlenmajerice) [ml] V 1 (nastalega plina) [ml] 6. Računi: a) Izračunajte množino magnezija za vse tri izvedbe n(mg) b) S pomočjo urejene enačbe reakcije med magnezijem in klorovodikov kislino izračunajte množino nastalega plina za vse tri izvedbe n(plin)
c) Preračunajte prostornino nastalega plina V 1 pri pogojih poskusa T 1, P 1 na prostornino V pri T 0 = 0 C in P 0 = 101,3 kpa za vse tri izvedbe V d) Izračunajte molsko prostornino plina pri T = 0 C in P = 101,3 kpa pri vseh treh izvedbah (upoštevajte množine nastalega vodika) V m 7. Interpretacija rezultatov: a) Napišite urejeno enačbo reakcije med magnezijem in raztopino klorovodikove kisline. Navedite agregatna stanja. b) Primerjajte iz eksperimenta izračunano molsko prostornino plina pri 0 C in 101,3 kpa s teoretično vrednostjo pri teh pogojih. 8. Zaključek in komentar: Navedite možne napake za odstopanje iz eksperimenta izračunane molske prostornine od teoretične vrednosti. Zakaj je po vašem mnenju prišlo do teh napak? Zapišite tudi predloge kako bi poskus izboljšali, oz. spremenili.
Področja ocenjevanje Navodilo za profesorja Priprava aparature: V 100 ml erlenmajerico zatehtajte 0,010 g magnezijevega traku (na 0,001 g natančno), ki ste mu predhodno odstranili oksidno plast. Injekcijsko brizgo napolnite s 5 ml 1,0 M klorovodikove kisline. Pazite, da je pipica pravokotna na injekcijsko brizgo). Sestavite aparaturo prikazano na skici. Senzor za tlak in injekcijsko brizgo namestite na zamašek s katerim boste zaprli erlenmajerico. Temperaturni senzor namestite s pomočjo stojala v vodno kopel. Preden začnete z merjenjem zaprto erlenmajerico termostatirate vsaj 5 min. Delo z računalnikom ali LabQestom in opremo Vernier: a) Pripravite računalnik za zajemanje podatkov s pomočjo programa LoggerPro (File Open Advanced Chemistry with Vernier 05 Molar Volume). LabQuest uporabite kot vmesnik. b) Pripravite LabQuest za zajemanje podatkov. (Način izberete Časovno osnovo Rang: 1 vzorcev/s Dolžina 300 s V redu). LabQuest je samostojenen merilni instrument. Izvedba eksperimenta: Svoje meritve in opažanja zapisujte v tabelo 1. Določite spremembo tlaka pri reakciji med magnezijem in klorovodikovo kislino. Ko je erlenmajerica termostatirana, pritisnite Collect ( ). Po 20 s odprite pipico na injekcijski brizgi in dodajte klorovodikovo kislino. Pipico takoj zaprite. Poskus izvajate 5 min. Pomembno je, da je aparatura dobro zatesnjena. Če se zgodi, da tlak začne padati pritisnite Stop ( )in zaključite z merjenjem. Pri določanju maksimalne vrednosti tlaka si pomagajte s klikom na Analyze (Analiza) Statistics (Statistika) v Programu LoggerPro ali na LabQuestu. Meritve lahko shranite na USB ključ. Poskus izvedite še 2-krat. Predlog kriterijev, ki jih upoštevamo pri vrednotenju dijakovega dela popolno delno oz. primerno zelo pomanjkljivo ali ni prisotno Točke Poznavanje teoretičnih / / / osnov Načrtovanje eksperimentalnega dela in 3 1-2 0 upoštevanje kem. varnosti Spretnost pri delu z izvedbo in zapisom meritev 3 1-2 0 Urejanje in analiza podatkov / / / Argumentirano oblikovanje zaključkov 4 1-3 0 Skupaj: /10 Načrtovanje eksperimentalnega dela in upoštevanje kemijske varnosti: - 3 točke: Dijak samostojno izbere ustrezne količine reaktantov. Izbiro količin reaktantov utemelji z računom. Pri načrtu upošteva varnostna navodila pri rokovanju z izbranimi snovmi in navede vir. - 1 3 točke: Dijak ima pri določanju količin reaktantov težave. Iz izračunane možine magnezija ne zna izračunati količino potrebne klorovodikove kisline. Pri načrtu pomanjkljivo upošteva varnostna navodila.
Spretnost pri delu z izvedbo in zapisom meritev: - 3 točke: Dijak samostojno sestavi aparaturo po skici. Pri delu z LoggerPro in Vernierjevimi senzorji je samostojen. Sledi napisanim navodilom. Ustrezno odčita vrednosti v programu Logger Pro. Upošteva varnostna navodila. - 1 3 točke: Dijak ob pomoči učitelja ali laboranta sestavi apartaturo po skici. Pri delu z LoggerPro in Vernierjevimi senzorji občasno potrebuje pomoč. Ob pomoči sošolcev, profesorja ali laboranta sledi napisanim navodilom. Ustrezno odčita vrednosti v programu Logger Pro. Upošteva varnostna navodila. Argumentirano oblikovanje zaključkov: - 4 točke: Dijak argumentirano predstavi potek in rezultate oziroma opažanja samostojnega eksperimentalnega dela in primerja rezultate s teoretično podkrepljenimi dokazi. Pravilno zapiše enačbo reakcije med magnezijem in raztopino klorovodikove kisline. Pri zapisu navaja agregatna stanja. Iz zapisanih meritev pravilno izračuna prostornino plina pri 0 C in 101,3 kpa in jo primerja s teoretično vrednostjo. Navede vsaj dva tehtna razloga za nastalo napako in predlaga izboljšavo za zmanjšanje nastalie napake. - 1-3 točke: Dijak predstavi potek in rezultate oziroma opažanja samostojnega eksperimentalnega dela in primerja rezultate s teoretično podkrepljenimi dokazi. Pravilno zapiše enačbo reakcije med magnezijem in raztopino klorovodikove kisline. Pri zapisu ne navaja agregatnih stanj. Iz zapisanih meritev pravilno izračuna prostornino plina pri 0 C in 101,3 kpa in jo primerja s teoretično vrednostjo. Delno pravilno navede vsaj en tehten razlog za nastalo napako.