Laboratorní návod - Stanovení molární hmotnosti snadno těkavé látky metodou Viktora Meyera 1

Transkript

1 Laboratorní návod - Stanovení molární hmotnosti snadno těkavé látky metodou Viktora Meyera 1 Molární hmotnost M látky je definována jako podíl hmotnosti m a odpovídajícího látkového množství n Jednotkou molární hmotnosti M v soustavě SI je kg mol -1. Látkové množství udává počet částic s tím, že jeden mol obsahuje počet částic daný hodnotou Avogadrovy konstanty (6, mol -1 ). Metoda V. Meyera je zajímavou aplikací Avogadrova zákona, podle kterého stejná látková množství různých plynných látek, které se chovají jako ideální plyn, zaujímají za stejné teploty a tlaku stejný objem. Metoda spočívá v tom, že do objemu vzduchu uzavřeného v trubici vpravíme známé množství kapalné látky, která se vypaří a promění v přehřátou páru. Pára této látky má během expanze přibližně stejnou teplotu a tlak jako vzduch, který tlačí před sebou. Po ukončení děje, kdy se předpokládáme pístový tok plynů aparaturou, zaujme pára stejný prostor, jako měl vzduch, který vytlačila. Vzduch je vytlačen do termostatovaného prostoru umožňujícího změření objemu (teplota nemusí být nutně stejná jako teplota pece, jen nesmí docházet ke změnám rozložení teploty v jednotlivých místech aparatury). Platnost Avogadrova zákona se předpokládá v celé aparatuře a proto platí, že látkové množství vytlačeného vzduchu, u kterého změříme objem, je stejné, jako látkové množství vypařené látky, jejíž molární hmotnost zjišťujeme. Proto můžeme ze stavových veličin vytlačeného vzduchu vypočítat za předpokladu ideálního chování molární hmotnost zkoumané látky. Při atmosférickém tlaku (tzn. hodnoty do řádově 100 kpa) lze popsat chování plynů a par s dobrou přesností stavovou rovnicí ideálního plynu kde molární hmotnost M je stanovovaná veličina.měřenými veličinami jsou objem vzduchu V v byretě při tlaku p a termodynamické teplotě T (teplota v byretě). Vzduch je vypuzen z přístroje do plynové byrety párou kapaliny, jejíž molární hmotnost zjišťujeme, kdy známé její hmotnost m. V rovnici (4.2) značí R molární (univerzální) plynovou konstantu, která je přírodní konstantou a má pro všechny plyny stejnou hodnotu R = 8,3143 (± 0,0012) J mol -1 K - 1. Úpravou rovnice (4.2) obdržíme pro molární hmotnost měřené látky výraz Metoda je rychlá a přesná, není však vhodná ke stanovení molární hmotnosti látek, které za daných podmínek podléhají disociaci nebo asociaci. 1 Nedílnou součástí tohoto návodu je doplněk popisující statistické zpracování naměřených dat

2 Pokusné zařízení Základní částí přístroje je výparná baňka zasunutá do elektrické pece (obr. 4.1). Dno baňky je převrstveno skleněnými kuličkami. Baňka je opatřena trubicí, v jejíž horní části je šikmo umístěno otáčivé shazovací zařízení, jímž se vzorek kapaliny zatavený ve skleněné ampulce (baničce) spouští do výparné baňky. Ve vyhřátém prostoru výparné baňky ampulka praskne a Obr. 4.1 Obr. 4.2 páry zkoumané látky vypudí vzduch, který se odvádí bočním vývodem do plynové byrety naplněné vodou. Ke spodnímu konci byrety je připojena vyrovnávací nádoba k eliminaci vypařením vzniklého rozdílu mezi tlakem uvnitř přístroje a barometrickým tlakem. Teplota vypuzeného vzduchu se odečítá na teploměru umístěném v temperačním plášti plynové byrety. Postup práce POVINNOSTÍ STUDENTA JE POUŽÍVAT OCHRANNÝ ŠTÍT NEBO OCHRANNÉ BRÝLE A TO V KAŽDÉ FÁZI PŘÍPRAVY BANIČEK A PRÁCE S APARATUROU!!!!! Přípravné práce Pec zapínáme na pokyn asistenta hned na začátku pracovního dne, neboť musí vyhřívat 1 až 2 hodiny před zahájením vlastního měření. Teplotu pece nastavíme asi na 220 až 230 C, pokud asistent neudá jinak. Neměňte nastavení regulátoru teploty pece!!! Nastavení parametrů regulátoru je velice zdlouhavá a komplikovaná záležitost. Zatímco roztápíme pec, ethanolem vyčistíme a poté vysušíme výparnou baňku a skleněné kuličky. Na dno suché baňky nasypeme skleněné kuličky asi do výše 2 cm a baňku upevníme v peci tak, aby její dno bylo asi 15 cm nad dnem pece (nejteplejší místo v peci!). Otvor v peci okolo stopky výparné baňky zakryjte. Dále je třeba očistit zábrus shazovacího zařízení od případných střípků a namazat ho. Pokud jsou výparná baňka či kuličky mokré, je nutné výparnou baňku s kuličkami vysušit. To se provádí tak, že výparná baňka se boční olivkou připojí k vodní vývěvě, jádro spouštěcího zařízení se zasune do zábrusu a do horního otvoru

3 výparné baňky se zasune dlouhá trubice provlečená zátkou, která umožňuje vysušení výparné baňky proudícím vzduchem (viz bod 7 níže uvedeného postupu práce s aparaturou). Bez zbytečné prodlevy je pak potřeba zahájit výrobu prázdných baniček, následně je plnit, vážit a posléze zahájit měření, kdy se změří dva až třikrát pro kontrolu vzorek toluenu a následně minimálně desetkrát neznámý vzorek. Je třeba si vypracovat efektivní postup práce, aby nedocházelo k časovým ztrátám. Vzorky kapaliny se zatavují do malých skleněných ampulek, které se zhotovují z připravené kapilární trubičky za použití kahanu následujícím způsobem. Kapilární trubičku ohřejeme na jednom místě malým svítivým plamenem a po jejím změknutí ji ihned vytáhneme (mimo plamen!) v tenkou kapiláru. Totéž opakujeme na místě vzdáleném asi o 15 mm, takže nám mezi oběma kapilárami vznikne malá banička. Nyní stačí nyní jednu z kapilár odtavit, druhou zkrátit na cca 50 mm a ampulka je hotova. Celý postup je naznačen na obr Jsou-li ampulky tenkostěnné, váží kolem 60 mg. Jestliže váží více než 100 mg, při pokusech zpravidla obtížně praskají. Správnou velikost ampulek určíme orientačním pokusem. Navážka má vytlačit do byrety 20 až 30 cm 3 vzduchu. Vyrobené a zvážené prázdné ampulky, které uchováváme ve stojánku s očíslovanými pozicemi, aby nedošlo k záměně, se následně plní toluenem nebo vzorkem. Ampulku uchopíme do pinzety, mírně ji ohřejeme nad malým svítivým plamenem a pak rychle ponoříme konec kapilárního hrdla do kapaliny a vyčkáme, až se malé množství látky vsaje do nádobky. Nasátou kapalinu setřeseme na dno nádobky a znovu opatrně zahříváme, až kapalina začne vřít a vypudí z nádobky vzduch. V tom okamžiku znovu rychle ponoříme ampulku do lahvičky se vzorkem. Většinou se tím celá naplní. Pokud v ampulce zůstává větší vzduchová bublina, musíme vyvařování opakovat. Hrdélko naplněné ampulky pečlivě osušíme, ampulku případně zchladíme ponořením jejího tělíčka do studené vody a otevřený konec kapiláry rychle zatavíme. Potom ampulku osušíme a znovu zvážíme. Važte vždy na stejných vahách! Nezapomeňte na kontrolu nulové polohy. Po ustálení teploty v peci je možné začít s měřením. Správnost postupu a přesnost práce si ověříme na známé látce (toluen, aceton apod.), potom teprve přikročíme ke stanovení molární hmotnosti neznámého vzorku, se kterým se provede minimálně 10 měření. Z hlediska využití času je efektivní zahájit měření s naplněnými baničkami co nejdříve, přičemž je zbytečné čekat až do doby, než jsou naplněné všechny baničky. Je záhodno začít s měřením už ve chvíli, kdy jsou k dispozici cca tři naplněné baničky. Čas k naplnění zbylých baniček je k dispozici během odsávání par z výparné baňky mezi jednotlivými experimenty (viz níže). Postup měření na aparatuře 1. Pomocí silikonové hadičky spojíme byretu s výparnou baňkou. 2. Do spouštěcího zařízení se ve vodorovné poloze vloží hrdlem k rukojeti naplněná, zatavená a zvážená banička se vzorkem (Obr. 4.3.) a celé zařízení se zasune do boční trubice výparné baňky. (Obr. 4.4.) Aby zařízení těsnilo, je nutné předem opatřit zábrusy tenkou vrstvou mazacího tuku (zmíněno výše) a udržovat je prosté hrubých nečistot. Pokud je zařízení znečištěné mazacím tukem uvnitř, banička se přilepí a nevypadne.

4 Obr Vsunutí baničky do shazovacího zařízení Obr Vhazovací zařízení připraveno k akci 3. Horní konec výparné trubice se uzavře zátkou. Byretu i výparnou baňku spojíme s vnější atmosférou otočením trojcestného kohoutu do příslušné polohy. Vyrovnávací nádobu byrety upevníme tak, aby se hladina vody v byretě ustálila přibližně na počátku stupnice. Počkáme cca 5 minut na vytemperování (pokud nedojde k ustálení teploty, došlo by v aparatuře k objemovým změnám plynu v důsledku změn teploty a to by vedlo k nepřesnému určení vytlačeného objemu). Po vyrovnání tlaku a teploty a nastavení polohy hladiny se kohout přetočí tak, aby zůstala průchozí pouze cesta mezi výparnou baňkou a byretou, ale zároveň byl zaslepen zavzdušňovací otvor. 4. Nyní vyzkoušíme, zda přístroj těsní a teplota v peci zůstává stálá. O tom se přesvědčíme snížením vyrovnávací baňky plynové byrety. Jestliže meniskus po počátečním malém poklesu zůstává nadále na témže místě, můžeme zahájit měření (pro jistotu můžeme umístit vyrovnávací nádobu i nad hladinu vody v byretě a ani v tomto případě nesmí docházet k vyrovnání hladin v tomto případě pozor na vniknutí kapaliny z byrety do výparné baňky!!!!!!!!). Netěsní-li trojcestný kohout nebo jádro spouštěcího zařízení, očistíme zábrus od starého tuku (v případě nutnosti rozpouštědlem - např. toluen) a znovu

5 naneseme slabou vrstvu tuku. Netěsnost může způsobovat i zátka v horním otvoru výparné baňky popř. spojení mezi byretou a výparnou baňkou. 5. Pokud aparatura těsní, vyrovnáme hladiny v byretě a vyrovnávací nádobce a zjistíme počáteční polohu menisku v byretě. Pokud to není přesně nula, hodnotu si poznamenáme, abychom ji mohli odečíst na konci měření od konečné polohy menisku a získali tak správnou hodnotu vytlačeného objemu. Vyrovnávací nádobku vrátíme do stojanu 6. Nyní pootočíme spouštěcí zařízení o 180 a tím spustíme ampulku do výparné baňky (Obr. 4.5). Při spouštění baničky je nutné spouštěcí zařízení i horní zátku přidržovat, ev. zajistit gumičkou, aby přetlak par po prasknutí baňky nevyrazil shazovací zařízení nebo zátku z výparné trubice. Ampulka zpravidla po několika vteřinách praskne a hladina vody v byretě rychle klesá. Se zařízením manipulujte opatrně a s citem. Je to jenom sklo! Obr Spuštění baničky Po přibližném ustálení menisku vyrovnáme co nejpřesněji hladiny v byretě a ve vyrovnávací nádobě, vyčkáme do úplného ustálení menisku a odečteme objem vytlačeného vzduchu (nezapomeneme případně na odečtenou počáteční polohu menisku). Zaznamenáme si hodnoty teploty v byretě a atmosférického tlaku, který zjistíme na digitálním barometru. 7. Z trubice vyjmeme horní zátku a na dno baňky zavedeme odsávací trubici. Rozpojíme hadičku mezi byretou a výparnou baňkou a na boční olivku výparné baňky připojíme hadici připojující vodní vývěvu. Výparnou baňkou, která přitom zůstává v peci, prosáváme po 10 minut vzduch. Tím je přístroj připraven k dalšímu měření, to znamená, že je možné začít s novou baničkou znovu od bodu jedna tohoto postupu. Pokud by se páry neodsávaly, začaly by při dalších měřeních kondenzovat v částech výparné trubice,

6 které jsou mimo pec, a to by způsobilo prudké oscilace menisku v byretě a bylo by nemožné přesně určit objem vytlačeného plynu. Zpracování naměřených údajů a vyhodnocení a) Výpočet bez korekcí: Do rovnice (4.3) dosadíme všechny experimentální údaje a konstantu R v soustavě SI, za p dosadíme atmosférický tlak. Výsledek uvedeme do protokolu. b) Přesnější výpočet s korekcemi: Pro přesnější výpočet musíme brát v úvahu dvě skutečnosti: 1. Vzduch vytlačený z výparné baňky je ve vodní byretě dosycován vodní parou, která se vypařuje z vodní hladiny a ze zbytků vody ulpělé na stěnách vodní byrety po poklesu hladiny. Je-li např. laboratorní vzduch (jehož teplota je přibližně rovna teplotě vodní byrety) nasycen z 60 %, pak se vzduch může dosytit maximálně na 100 % (kdy je parciální tlak vody roven tenzi vodní páry). Za tlak p dosadíme atmosférický tlak p', od kterého je odečtena korekce na vypařenou vodu kde u je nasycená tenze par vody při teplotě byrety. Tato korekce nepřesáhne 2,5 %, normálně se pohybuje mezi 1 a 2 %. 2. Páry látky v blízkosti bodu varu se nechovají jako ideální plyn. Zaujímají objem asi o 1% menší než by zaujímalo stejné množství ideálního plynu. Korekce na neidealitu a korekce na vlhkost se téměř kompenzují. Pro přesná měření bychom korekci na neidealitu určili např. z Redlichovy-Kwongovy rovnice nebo pomocí kompresibilitního diagramu. K tomu účelu bychom však museli stanovit i teplotu v peci. Vzhledem k tomu, že uvedené jevy se navzájem kompenzují, nebudeme uvažovat žádnou korekci, a výpočet molární hmotnosti se provede přímo z rovnice ideálního plynu (tj. rovnice 4.3). Výsledky pro vzorek i toluen upravíme do tabulky, ve které uvedeme pro každé jednotlivé měření číslo pokusu, navážku, objem odečtený na byretě, atmosférický tlak, teplotu a vypočtenou hodnotu molární hmotnosti.

7 Záhlaví tabulky: poř.č. m [g[ T [K] P [kpa] V [ml] M [g/mol] Minimálně 10 získaných hodnot molární hmotnosti vzorku zpracujete i statisticky. To znamená, že se vypočítá aritmetický průměr a určí interval spolehlivosti na úrovni 95%, to znamená interval, v kterém leží skutečná hodnota s pravděpodobností 95%. Postup statistického zpracování naměřených dat je popsán v kapitole Zpracování naměřených dat, která je k nalezení mezi návody k jednotlivým pracím na www stránce ÚFCH. Osnova postupu práce: 1. Vyhřívání pece s baňky s kuličkami. 2. Výroba a vážení prázdných ampulek, jejich plnění a opětovné zvážení. 3. Odsátí par vodní vývěvou. 4. Pokus: a) uzavření aparatury, kontrola těsnosti a vyrovnání hladin, zjištění počáteční polohy menisku b) spuštění ampulky, c) vyrovnání hladin a odečtení objemu, teploty a tlaku, d) otevření a odsátí par z aparatury. Přesnost a zdroje chyb Chyba stanovení v tomto provedení činí ± 1%. Zdroje chyb: Ampulky nepraskají: Jsou příliš silnostěnné; málo naplněné; jsou nedokonale zatavené nebo výparná baňka je málo vyhřátá, což může být zaviněno tím, že je umístěna na chladnějším místě v peci. Meniskus zvolna klesá: Ulomila se pouze špička ampulky a páry difundují pomalu hrdlem nádobky, výsledky jsou příliš vysoké. Meniskus zvolna stoupá: Za dlouhou dobu, kterou pokus trvá, část par se dostane do chladnější části výparné baňky, zkondenzuje a tím se zmenší objem. Pokus je nutno opakovat. Oscilace polohy menisku: Nedokonale vysušená výparná baňka s kuličkami. Tento jev je často doprovázen kondenzací vzorku na trubici výparné baňky nad pecí. Vyšší výsledky naměříme také v tom případě, když teplota v peci během pokusu klesla. Výsledky jsou příliš nízké: Teplota v peci během pokusu stoupla, vzorek byl vlhký nebo baňka či kuličky nebyly suché.