Определение молярной массы вещества физическими методами

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Определение молярной массы вещества физическими методами

Илюшкина А.А. 1
1МБОУ Школа № 129 г.о.Самары
Абрамова  М.В. 1
1МБОУ Школа № 129 г.о.Самара
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

При изучение химии и физики важную роль играют такие понятия как «атом», «относительная атомная и молярная массы химического элемента». Казалось бы, ничего нового в этой области уже давно не открывается. Однако, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) ежегодно уточняет значения атомных масс химических элементов. За последние 20 лет были скорректированы атомные массы 36 элементов, причем 18 из них не имеют изотопов.

Принимая участие во Всероссийском очном туре олимпиады по естествознанию, нам была предложена задача следующего содержания: «Предложите способ определения молярной массы вещества в условиях школьной лаборатории».

Данное задание было чисто теоретическим и я успешно с ним справилась. Вот я и решила экспериментально, в условиях школьной лаборатории, рассчитать молярную массу вещества.

Цель:

Определить экспериментально молярную массу вещества в условиях школьной лаборатории.

Задачи:

  1. Изучить научную литературу, в которой рассказывается о способах вычисления относительной атомной и молярной массы.

  2. Экспериментально определить молярную массу вещества, находящихся в газообразном и твердом состояниях, с помощью физических методов.

  3. Сделать выводы.

II. Основная часть

  1. Основные понятия:

Относительная атомная масса – это масса химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с атомным весом 12. 1 а.е.м.=1,6605655·10-27 кг.

Относительная атомная масса – показывает во сколько раз масса данного атома химического элемента больше 1/12 массы изотопа 12С.

Изотопы – атомы одного химического элемента, имеющие разное количество нейтронов, и одинаковое число протонов в ядре, следовательно, имеющие разные относительные атомные массы.

Молярная масса вещества — эта масса вещества, взятого в количестве 1 моль.

1 моль - это такое количество вещества, которое содержит столько же атомов (молекул), сколько их содержится в 12г углерода.

Удельная теплоемкость вещества – это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить тему массой 1кг, чтобы изменить его температуру на 10С.

Теплоемкость-это произведение удельной теплоемкости вещества и его массы.

  1. История определения атомных масс химических элементов:

Проанализировав различные источники литературы об истории определения относительных атомных масс различных химических элементов, я решил свести данные в таблицу, что достаточно удобно, т.к. в различных источниках литературы сведения даются расплывчато:

ФИО ученого, год

Вклад в изучение и определение относительных атомных масс

Примечание

Джон Дальтон

1803

Понятно, что непосредственно взвесить атомы невозможно. Дальтон рассуждал только о «соотношении весов мельчайших частиц газообразных и других тел», то есть об относительных их массах. В качестве единицы массы Дальтон принял массу атома водорода, а для нахождения масс других атомов он использовал найденные разными исследователями процентные составы различных соединений водорода с другими элементами.

Дальтон составил первую в мире таблицу относительных атомных масс некоторых элементов.

 

Уильям Праут (англ.)

Высказал предположение, что из самого легкого элемента – водорода путем конденсации могли возникнуть все остальные элементы. В этом случае атомные массы всех элементов должны быть кратны массе атома водорода. За единицу атомной массы он предлагал выбрать водород.

Только в последую-

щие годы оказалось, что гипотеза Праута фактически подтверди-

лась: все элементы действите-льно образова-лись при взрыве сверхновых звезд из ядер атомов водорода – протонов, а также нейтронов.

1819 Дюлонг

П.И., А.Т.Пти:

Эмпирическое правило: произведение атомной массы на теплоемкость – величина постоянная. Правило до сих пор используется для определения относительной атомной массы некоторых веществ

Берцелиус на основании правила исправил некоторые атомные массы металлов

1820/60г

Ж.С.

Стас, Ричардс

Т.У.,

и др.

Уточнение относительной атомной массы некоторых элементов.

 

1858

С. Ка-ниццаро

Определение относительной атомной массы некоторых элементов через определение известные относительные молекулярные массы летучих соединений элементов

 

1860 Ж.С.

Стас, Бельгия

Предложил изменить атомную единицу массы и выбрать в качестве нового стандарта атом кислорода. Масса атома кислорода принималась равной 16,000 единицей измерения стала 1/16 этой массы кислорода.

 

1891

Э.У.

Морли

Полное опровержение гипотезы Праута на основании определения соотношения масс химических элементов в некоторых соединениях

 

1861-1906

Д.И.Менделеев

Определил и исправил на основе периодической таблицы относительные атомные массы некоторых известных и еще не открытых химических элементов.

 

1906

Была утверждена так называемая кислородная шкала, где за эталон принималась масса атома кислорода

 

1900-1914

Теодор Уильям Ричардс

В начале 20 в. очень точно определил атомные массы 25 химических элементов и исправил ошибки, допущенные ранее другими химиками.

 

1946

Ф.Астон

Создан масс-спектограф для определения относительных атомных масс

 

1961

За атомную единицу массы (а.е.м.) была принята 1/12 массы изотопа углерода 12С (углеродная единица). (1 а.е.м., или 1D (дальтон), в СИ-единицах массы составляет 1,6605710-27 кг.)

 

Зная относительную атомную массу атома, можно определить молярную массу вещества: М= Аr·10̄ ³ кг/моль

  1. Способы определения молекулярных масс элементов:

Атомную и молекулярную массу можно определить либо физическими, либо химическими методами. Химические методы отличаются тем, что на одном из этапов в них фигурируют не сами атомы, а их комбинации.

Физические методы:

1 способ. Закон Дюлога и Пти

В 1819 г. Дюлонг совместно с А.Т. Пти, установил закон теплоёмкости твёрдых тел, согласно которому произведение удельных теплоёмкостей простых твёрдых тел на относительную атомную массу образующих элементов есть величина приблизительно постоянная (в современных единицах измерения равная примерно Сv·Аr = 25,12Дж/(г•К)); ныне это соотношение носит название «закон Дюлонга - Пти». Закон удельной теплоёмкости, довольно долгое время остававшийся незамеченным современниками, послужил впоследствии основой метода приближённой оценки атомных масс тяжёлых элементов. Из закона Дюлонга и Пти следует, что разделив 25,12 на удельную теплоёмкость простого вещества, легко определяемую экспериментально, можно найти приблизительное значение относительной атомной массы данного элемента. А зная относительную атомную массу элемента, можно определить молярную массу вещества.

М=Мr·10̵ ³ кг/моль

На начальном этапе развития физики и химии удельную теплоемкость элемента было легче определить, чем многие другие параметры, поэтому при помощи этого закона устанавливали приблизительные значения ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АТОМНОЙ МАССЫ.

Значит, Ar=25,12/c

с- удельная теплоемкость вещества

Для определения удельной теплоемкости твердого тела, проведем следующий опыт:

        1. Нальем в калориметр горячую воду и определим ее массу и начальную температуру.

        2. Определим массу твердого тела, сделанного из неизвестного вещества, относительную атомную массу которого нам необходимо определить. Так же определим его начальную температуру (его начальная температура равна комнатной температуре воздуха, т. к. тело долгое время находилось в данном помещении).

        3. Опустим в калориметр с горячей водой твердое тело и определим температуру установившуюся в калориметре.

        4. Будем считать, что потери энергии на обмен с окружающей средой пренебрежительно мал, запишем уравнение теплового баланса.

        5. Сделав необходимый расчет, определим удельную теплоемкость твердого тела.

Q1=c1m1(t-t1), где Q1- количество теплоты, отданное водой в результате теплообмена, с1 –удельная теплоемкость воды (табличная величина), m1 – масса воды, t –конечная температура, t1 – начальная температура воды, Q2=c2m2(t-t2), где Q2- количество теплоты, полученное твердым телом в результате теплообмена, с2 –удельная теплоемкость вещества (нужно определить), m2 – масса вещества, t2 – начальная температура исследуемого тела, т.к. уравнение теплового баланса имеет вид: Q1 + Q2 = 0 ,

тогда c2 = c1m1(t-t1) /(- m2(t-t2))

m1, кг

t1, 0C

m2, кг

t2, 0C

t,0C

c, Дж/ (кг0К)

Ar=25,12/c

1

0,1

93

0,072

24

83

998,7

26,15

2

0,1

94,4

0,072

24,2

84,2

991,67

26,33

3

0,1

86,2

0,072

24

76,4

919,09

27,03

Среднее значение относительной атомной массы вещества получилось

Аr = 26, 5 а.е.м.

Следовательно, молярная масса равна М =0,0265 кг/моль.

Твердое тело- алюминиевый брусок

2 способ. Рассчитаем молярную массу воздуха.

Используя, условие равновесия системы, можно так же рассчитать молярную массу вещества, например газа, например воздуха.

Fa = Fтяж (сила Архимеда, действующая на воздушный шар уравновешивается суммарной силой тяжестью, действующей на оболочку шара, газ, находящийся в шаре, и груз, подвешенный к шару.). Конечно учитывая, что шар завис в воздухе (он не подымается и не опускается).

Fa- сила Архимеда, действующая на шарик, находящийся в воздухе

Fa =ρвg Vш

ρв - плотноть воздуха

F1- сила тяжести, действующая на оболочку шара и газ (гелий), находящийся внутри шара

F1=mоб·g + mгел · g

F2- сила тяжести, действующая на на груз

F2=mгр·g

Получим формулу: ρвg Vш = mоб·g + mгел · g + mгр·g (1)

(2)

Воспользуемся формулой Менделеева-Клапейрона для расчета молярной массы воздуха:

Выразим молярную массу воздуха:

(3)

В уравнение (3) подставим вместо плотности воздуха уравнение (2). Итак, мы получили формулу для расчета молярной массы воздуха:

(4)

Следовательно, чтобы найти молярную массу воздуха, нужно измерить:

1) массу груза

2) массу гелия

3) массу оболочки

4) температуру воздуха

5) давление воздуха (атмосферное давление)

6) объем шара

R- универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль·К)

Барометр показал атмосферное давление

равное ра =96000Па

Температура воздуха в помещении:

Т=23 +273=297К

Массу груза и массу оболочки шара мы определили с помощью электронных весов:

mгр =8,02г

масса оболочки шара:

mоб = 3,15г

Объем шара мы определили двумя способами:

а ) наш шарик оказался круглым. Измерив в нескольких местах длину окружности обхвата шарика, мы определили радиус шара. А затем и его объем: V=4/3·πR³

L=2πR, Lср= 85,8см= 0,858м, следовательно R=0,137м

Vш= 0,0107м³

б) налили воду в ведро до самого края, предварительно поставив его с ванночку для слива воды. Опустили полностью в воду шарик, часть воды вылилась в ванночку под ведром, измерив объем вылитой воды из ведра, мы определили объем воздушного шарика: Vводы=Vш= 0,011м³

(Ша рик на рисунке ближе находился к фотокамере, поэтому кажется большего размера)

Итак, для расчета мы взяли среднее значение объемы шарика:

Vш= 0,0109м³

Массу гелия в определим с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона, учитывая, что температура гелия равна температуре воздуха, а давление гелия внутри шарика равно атмосферному.

Молярная масса гелия 0,004 кг/моль:

mгел = 0,00169 кг

Подставив все результаты измерения в формулу (4), получим значение молярной массы воздуха:

М= 0,030 кг/моль

(табл значение молярной массы

воздуха 0,029 кг/моль)

Вывод: в школьной лаборатории можно определить физическими методами относительную атомную массу химического элемента и молярную массу вещества. Проделав данную работу, я многое узнала о способах определения относительной атомной массы. Конечно, многие способы недоступны для школьной лаборатории, но, тем не менее, даже используя элементарное оборудование, я смога экспериментально физическими способами определить относительную атомную массу химического элемента и молярную массу вещества. Следовательно, цель и задачи, поставленные в этой работе, я выполнила.

  1. Список использованной литературы

  1. alhimik.ru

  2. alhimikov.net

  3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Молярная_масса

  4. Г. И. Дерябина, Г. В. Кантария. 2.2.Моль,молярная масса. Органическая химия: вебучебник.

  5. http://kf.info.urfu.ru/glavnaja/

  6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Молярная_масса h

Просмотров работы: 264