ІІІ. АГРЕГАТНИЙ СТАН РЕЧОВИН

1. ВИЗНАЧЕННЯ

МАСИ МОЛЯ РЕЧОВИНИ ВИМІРЮВАННЯМ ЇЇ ОБ’ЄМУ В

ГАЗОПОДІБНОМУ СТАНІ

Для роботи необхідно: прилад для випаровування речовини і замірю-

вання об’єму пари даної речовини; аналітичні терези; плитка електрична; ампули, що заповнюються досліджуваною речовиною; термометр кімнат-

ний; барометр – анероїд.

Метод визначення густини пари і молекулярного об’єму речовини в па-роподібному стані при нормальних умовах, тобто при 273 К і 1,013×10⁵ Па, ґрунтується на застосуванні газових законів для твердих і рідких речовин, переведених у газоподібний стан.

Для знаходження густини пари по вищезгаданому методу визначають об’єм відомої маси речовини, переведеної в газоподібний стан.

Знаючи масу пари, яка при температурі Т і тиску Р займає об’єм V, можна вирахувати густину d_o. Для цього виміряний об’єм приводять до нормальних умов, користуючись рівнянням Клапейрона:

звідки

.

При нормальних умовах одержують густину пари:

,

де g – наважка речовини, кг.

Т,V,Р – температура, об’єм і тиск пари речовини в умовах досліду.

Користуючись рівнянням Менделєєва – Клапейрона, можна вираху-

вати молекулярну вагу речовини

.

По молекулярній вазі речовини і густині його пари при нормальних умовах обчислюють молекулярний об’єм речовини в пароподібному стані за формулою

.

Точність розглянутого методу не перевищує 1%, так як при розрахунках користуються газовими законами, справедливими лише для ідеальних газів.

Досліджувані пари значно відхиляються від цих законів при темпе-

ратурах, близьких до точок кипіння досліджуваних речовин.

Суть методу полягає в наступному.

Точно відважену кількість речовини (не більше 0,1–0,2 г) випаро-

вують в особливому приладі при температурі, що не менше ніж на 293 К перевищує її температуру кипіння. Пари досліджуваної речовини витіс-

няють з приладу в газовимірювальну бюретку об’єм повітря V, рівний об’є-му парів досліджуваної речовини. Даний об’єм знаходиться під тиском Р і кімнатній температурі Т.

Таким чином, експериментально визначають не об’єм пари дослід-

жуваної речовини, а рівний йому об’єм повітря, витісненого цими парами з приладу, причому вимірювання об’єму проводять при кімнатній темпера-

турі і під атмосферним тиском.

Прилад для визначення молекулярної маси схематично зображений на ри-сунку 1. Він уявляє собою циліндричний посуд 1, до якого припаяна трубка 2. До верх-ньої частини приладу припаяний відросток, кінець трубки під час досліду закривається гумовим корком 6. Посуд занурюється в металічну баню 3, заповнену водою в такій кількості, щоб його розширена частина була у воді. Воду нагрівають до кипіння для обігріву розширеної частини посуду.

Якщо точка кипіння досліджуваної речовини вища 353 К, то воду замі-

нюють висококиплячою речовиною. Га-

зовимірювальна бюретка 4 за допомо-

гою гумової трубки з’єднується одним кінцем з приладом, другим – із зрів-

нювальною склянкою 5.

Перед початком роботи вклю-

чають електроплитку для нагрівання водяної бані.

Робота починається з очистки посу-

ду від речовини, яка досліджувалась раніше, і продуванням його повітрям.

У чергового лаборанта одержують

три ампули, які зважують з точністю до 0,0001 г і повертають для заповнення їх досліджуваною речовиною. Заповнені ампули знову зважують з поперед-

ньою точністю. Різниця у масі заповненої і порожньої ампули дає масу взятої для досліду речовини.

Після інтенсивного кипіння води протягом деякого часу ампули мож-

на опустити в прилад, попередньо встановивши за допомогою зрівню-

вальної склянки 5 рівень води в газовимірювальній бюретці на нулеві.

Відломивши частину капіляру, ампулу головкою вниз кидають через верхній отвір приладу разом з відламаною частиною. При цьому швидко і старанно закривають отвір гумовим корком.

Речовина, що містилася в ампулі, випаровується. Пара витісняє з посуду 1 в газовимірювальну бюретку 4 об’єм повітря, рівний об’єму утвореної пари досліджуваної речовини. В результаті цього рівень води в бюретці понижується. Коли об’єм повітря в бюретці перестає змінюватися, що вказує на кінець випаровування, встановлюють рівні в бюретці і в зрівнюваній склянці точно по одній висоті. Відраховують об’єм витісне-

ного повітря, який відповідає об’єму речовини, переведеної в пару.

Відмічають температуру по кімнатному термометру і атмосферний тиск по барометру, що знаходиться в даній лабораторії.

Закінчивши один дослід, приступають до другого, третього. З одержа-

них даних знаходять середнє значення. Перед кожним дослідом проду-

вають прилад повітрям і очищають від уламків ампул, не припиняючи нагрівання водяної бані. Як вказано вище, густина пари при нормальних умовах дорівнює

.

Повітря, яке знаходиться в бюретці над водою, насичується парами води. Вимірюваний атмосферний тиск Н урівноважується сумою парціаль-

ного тиску Р повітря, витісненого в бюретку, та пружності парів води, які насичують простір при температурі досліду:

.

Повітря, що міститься в приладі, це кімнатне повітря, відносна вологість якого в лабораторних умовах коливається в межах 50%. Для свого насичення воно потребує тільки половину максимальної кількості води і, отже, створений ним парціальний тиск буде дорівнювати h/2.

Таким чином, витіснене в бюретку напіввологе повітря, займаючи весь об’єм V при кімнатній температурі Т, має тиск

.

де h береться з таблиці, що подається в кінці опису.

Підставляючи значення тиску у вираз для густини пари, одержуємо:

.

З рівняння

, де

розраховують молекулярну масу речовини. Знаючи d_o і молекулярну масу речовини, визначають молекулярний об’єм досліджуваної речовини в газоподібному стані

.

Коефіцієнти при змінних величинах g і V

і

будуть однакові для всіх трьох вимірів і тому рекомендується, знаючи умови досліду, попередньо підрахувати значення цих коефіцієнтів і корис-

туватися ними при розрахунках густини і молекулярної маси.

Дослідні і розрахункові дані заносяться в табл. 1.

Таблиця 1

Пружність парів води в залежності від температури наведено в табл. 2.

Таблиця 2

2. ВИЗНАЧЕННЯ В’ЯЗКОСТІ СИСТЕМИ ЕТИЛОВИЙ СПИРТ – ВОДА

Для роботи необхідно: суміші компонентів етиловий спирт – вода: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100%; чисті компоненти: вода, етиловий спирт; віскозиметр; піпетка на 5–10 мл; секундомір.

Даний метод визначення в’язкості ґрунтується на застосуванні фор-

мули, що виражає закон Пуазейля

, звідки ,

де Q – об’єм рідини, що протікає за час t через капілярну трубку радіусом r і довжиною l;

P – тиск, при якому витікає рідина;

h – коефіцієнт внутрішнього тертя.

Безпосереднє визначення абсолютного коефіцієнту внутрішнього тер-

тя вимагає точного визначення всіх величин, які входять у формулу. Тому на практиці визначається не абсолютна величина h, а її відношення до h для такого ж об’єму води, що протікає при аналогічних умовах за час t. При витіканні різних рідин з одного і того ж капіляру тиск P буде величиною змінною, так як він в кожний момент рівний тиску стовпчика рідини, який ще не витік. Але закон зміни цього тиску з висотою для обох рідин буде один і той же.

Тому можна записати:

,

де P, P – тиск рідини, що витікає, і води при однакових висотах їх в капілярі.

Оскільки тиск однакових стовпчиків двох рідин пропорційний їх густинам

,

то можна записати:

,

звідки

.

Користуючись цією формулою і підставляючи значення в Пуазах, можна визначити h витікаючої рідини. При 293 К h= 0,01 П або в системі СІ [h] = Н×с/м².

Нехай умовно h при кімнатних умовах дорівнює 1. Густина води також приймається рівною 1. Значення густини суміші етиловий спирт–вода наведені в табл. 2.

Практична частина роботи зводиться до визначення часу витікання досліджу-ваної речовини і води.

Для визначення часу витікання рідини використовується віскозиметр, зображений на рисунку.

Він представляє собою з’єднані скляні трубки 1 і 2. Трубка 1 має розширення 3, що переходить у капіляр 4. Вище і нижче роз-ширення, зверху і знизу, є мітки 5 і 6 відпо-

відно.

У віскозиметр через трубку 2 нали-

вають піпеткою завжди один і той самий об’єм рідини. За допомогою гумової труб-

ки, сполученої з трубкою 1, витягують рідину через капіляр вище мітки 5. Час t, необхідний для пониження рівня рідини від мітки 5 до мітки 6, ви-

мірюють секундоміром. Таке вимірювання повторюють три рази і беруть середнє значення. Так само визначають час витікання води.

Будують графік у координатах в’язкість – концентрація.

Результати дослідів записують у табл. 1.

Таблиця 1

Таблиця 2