определение молекулярной массы и плотности газа методом

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
МАССЫ И ПЛОТНОСТИ ГАЗА
МЕТОДОМ ОТКАЧКИ
Учебно-методическое пособие к лабораторной работе
по молекулярной физике
1-4
УФА 2010
Учебно-методическое пособие содержит краткую теорию и инструкции
для выполнения лабораторной работы по теме «Определение молекулярной
массы и плотности газа методом откачки» и предназначено студентам всех
форм обучения УГНТУ.
Составитель
Шестакова Р.Г., доц., канд.хим.наук
Рецензент
Гусманова Г.М., доц., канд.хим.наук
 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010
3
Лабораторная работа 1-4
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ И ПЛОТНОСТИ ГАЗА
МЕТОДОМ ОТКАЧКИ»
Цель работы – ознакомление с одним из методов определения
молекулярной массы и плотности газа.
ТЕОРИЯ МЕТОДА
Молекулярной (молярной) массой называется масса одного моля
вещества. В единицах СИ эта величина измеряется в килограммах на моль.
Молем
какого-либо
вещества
называется
количество
этого
вещества,
содержащее столько же структурных элементов (молекул, атомов и т.д.),
сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода
12
С. Молекулярную
массу газа можно определить из уравнения газового состояния.
При не очень высоких давлениях, но достаточно высоких температурах
газ можно считать идеальным. Состояние такого газа описывается уравнением
Менделеева-Клапейрона:
PV  m
 RT ,
(1)
где P – давление газа; V – объем газа; m – масса газа;  - молярная масса газа; R
= 8,31 ДЖ/(моль К) – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная
температура газа.
Из уравнения (1) можно получить формулу для молярной массы газа:
  mRT .
PV
(2)
4
Если измерение давления P, объема V, температуры T газа, т.е.
параметров газа, входящих в формулу (2) не вызывает особых трудностей, то
определение массы газа выполнить практически невозможно, так как
взвешивание газа возможно только вместе с колбой, в которой он находится.
Поэтому для определения  необходимо исключить массу сосуда. Это можно
сделать, рассмотрев уравнение состояния двух масс m1 и m2 одного и того же
газа при неизменных температуре T и объемеV.
Пусть в колбе объемом V находится газ массой m1 при давлении P1 и
температуре T. Уравнение состояния (1) для этого газа имеет вид
m
1
P1V  RT .

(3)
Откачаем часть газа из колбы, не изменяя его температуры. После
откачки масса газа, что осталась в колбе, и его давление уменьшились.
Обозначим их соответственно m2 и P2 и снова запишем уравнение состояния:
P2V  m2 RT .

(4)
Из уравнений (3) и (4) получаем

m1  m2 RT




.
(5)
P1  P2 V

Полученная формула (5) дает возможность определить , если известно
изменение массы газа (но не сама масса), а также изменение давления,
температуры и объема газа.
В данной работе исследуемым газом является воздух, который
представляет собой смесь азота, кислорода, аргона и других газов.
Формула (5) пригодна и для определения  смеси газов. Найденное в этом
случае значение  представляет собой некоторую среднюю или эффективную
5
молярную массу смеси газов. Молярная масса смеси газов может быть
рассчитана и теоретически, если известно процентное содержание и молярная
масса каждого из газов, входящих в состав смеси, по формуле
c 
1
,
m1 1  m2 1 ... mn 1
m  1 m 1
m n
(6)
где m1/m, m2/m,… mn/m – относительное содержание каждого газа; 1, 2,… n –
молярные массы газов.
Если известна молярная масса газа, то можно легко определить еще одну
важную характеристику газа – его плотность . Плотность газа – это масса
единицы объема газа
m
 .
V
Определив
(7)
m
из уравнения Менделеева-Клапейрона, получим
V
  P .
RT
(8)
Плотность смеси газов можно вычислить по формуле (8), подразумевая
под  эффективную молярную массу смеси.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Для
определения
молекулярной
массы
воздуха
предназначена
экспериментальная установка ФПТ 1-12, схематический вид которой показан на
рисунке.
6
3
2
4
1
Установка ФПТ 1-12
компрессор
СЕТЬ
ПУСК
ВКЛ
g
Общий вид экспериментальной установки ФПТ 1-12:
1 – весы; 2 – колба; 3 – вакуумметр; 4 – компрессор
Рабочим элементом установки является стеклянная колба 2, соединенная
со стрелочным вакуумметром 3, показания которого Р есть разность между
атмосферным давлением в лаборатории Р0 и давлением газа в колбе Рк. Колба
имеет отросток с краном, который с помощью резиновой трубки соединяется с
входным патрубком компрессора 4. Колба установлена на тарелке электронных
весов 1. Значение объема V колбы указано на рабочем месте.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Подать напряжение питания на электронные весы, включив установку
тумблером «Сеть».
2. С помощью электронных весов определить массу колбы с воздухом
(m0+m1) при давлении Р1.
7
3. Включив компрессор тумблером «Пуск» и, открыв кран, откачать воздух
из колбы до давления Р2, после чего, закрыв кран и выключив
компрессор, определить с помощью весов массу колбы с воздухом
(m0+m2) при давлении Р2.
Полученные данные занести в таблицу 1.
4. Повторить измерения по пп.2-3 не менее 3 раз.
5. Измерить температуру воздуха в лаборатории.
6. Выключить установку тумблером «Сеть».
Таблица 1
Номер m0+m1, m0+m2, m1 - m2,
Р1,
Р2,
Р1 - Р2,
Т,
измер.
Па
Па
Па
К
кг
кг
кг
,
,
кг/моль кг/м3
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ
1. Для каждого проведенного измерения определить массу откаченного
воздуха (m1 - m2) и разность давлений (Р1 - Р2).
2. По
формуле
(5)
вычислить
для
каждого
измерения
значение
молекулярной массы воздуха . Найти среднее значение <>.
3. По формуле (8) вычислить для каждого измерения плотность воздуха,
используя найденное значение молярной массы .
4. Оцените погрешность результатов измерений.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
1. Не включать установку прежде, чем полностью не ознакомитесь с
описанием прибора.
2. Перед включением убедитесь в наличии заземления прибора
8
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
1. Что такое молекулярная масса вещества и в каких единицах она
измеряется?
2. Запишите и объясните уравнение Менделеева-Клапейрона. В каких
случаях его можно использовать для практических вычислений?
3. Как теоретически рассчитать молекулярную массу смеси газов?
4. Что такое плотность газа и как ее можно определить экспериментально?
5. Выведите расчетную формулу для определения молярной массы, которая
используется в данной работе.
6. Почему молярную массу газа нельзя определить непосредственно,
используя уравнение Менделееева-Клапейрона?
7. В чем заключается метод откачки для определения молярной массы газа?
8. Основные источники погрешностей данного метода измерения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1977. –Т.1. – С. 262-277.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1994. – С. 81-90.