Задача 31. Определение молекулярной массы CO₂ по его плотности

Введение

Закон Авогадро (1811) является фундаментальным. На нем основано определение молекулярной массы газа по его плотности. В 1858 г. Канниццаро показал, что молекулярные массы, определенные по плотности газов, могут быть использованы для определения атомных масс. Например, Канниццаро определил, что плотности N₂O, NO, NO₂ по водороду составляют соответственно 22, 15 и 23. Проанализировав большой объем подобных данных, можно определить атомные массы элементов.

            Измерение плотностей различных газов привело к еще одному важному открытию. Рэлей и Рамзай открыли аргон, определяя плотность азота (см. задачу 6). И спустя некоторое время таблица Менделеева пополнилась еще одним столбцом. Приведенный ниже эксперимент основан на законе Авогадро и уравнении идеального газа

Реагенты

Сухой лед, вода.

Приборы

Весы с точностью не менее 0.01 г, две колбы объемом 500 мл с боковыми отводами, резиновая трубка, резиновая пробка, алюминиевая фольга, мерный цилиндр, термометр, барометр.

Вопросы

31-1. Предложите два различных метода определения плотности углекислого газа при стандартных условиях, используя в качестве источника газа сухой лед.

31-2. Укажите основные источники ошибок и предложите способы их уменьшения.

31-3. Рассчитайте молекулярную массу углекислого газа

            1) исходя из его плотности по воздуху

            2) с помощью уравнения состояния идеального газа

Часть A

1. Запишите температуру окружающего воздуха (T) и атмосферное давление (p).

2. Взвесьте колбу. Запишите массу m₁, определяемую по формуле:

            m₁ = m(колбы) + m(воздуха)                                           (1)

3. Поместите сухой лед в колбу и дождитесь, пока он полностью сублимируется. Поместите в колбу термометр и неплотно прикройте отверстие фольгой. Дождитесь, пока углекислый газ в колбе не примет температуру окружающего воздуха. Протрите внешнюю сторону колбы от сконденсировавшейся влаги и взвесьте колбу. Запишите значение массы m₂.

            m₂ = m(колбы) + m(CO₂)                                                  (2)

4. Закройте боковой отвод колбы резиновой пробкой. Наполните колбу водой до краев и измерьте объем налитой воды мерным цилиндром. Так вы узнаете объем, который занимал углекислый газ в колбе (V). Рассчитайте массу воздуха, m(воздуха), занимающего такой объем при условиях эксперимента. Примите, что воздух имеет следующий состав: 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона. Моль воздуха весит 29.0 г. Рассчитайте m(колбы) из уравнения (1), зная m(воздуха). Затем рассчитайте m(CO₂) из уравнения (2), зная m(колбы).

5. Рассчитайте молекулярную массу углекислого газа, зная m(CO₂) и m(воздуха).

            М(CO₂) = 29.0 m(CO₂) / m(воздуха)

6. Рассчитайте молекулярную массу углекислого газа с использованием уравнения состояния идеального газа.

            pV = [m(CO₂) / М (CO₂)] RT

Часть B

1. Соедините боковые отводы двух колб резиновой трубкой. Поднимите одну колбу и поместите в нее достаточно большое количество сухого льда. Закройте верхнюю колбу резиновой пробкой и подождите, пока углекислый газ заполнит нижнюю колбу.

2. Отсоедините нижнюю колбу от резинового шланга, закройте все отверстия фольгой и взвесьте. Преимущество такого способа в том, что газ, попадая в нижнюю колбу, уже имеет комнатную температуру и атмосферное давление.

3. Определите объем и массу колбы так же, как и в части А.

4. Повторяйте измерения до воспроизводимости значения массы CO₂ в колбе.

5. Определите молекулярную массу углекислого газа так же, как в части А.