Определение молярной массы и плотности газа

1

1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ И ПЛОТНОСТИ ГАЗА 1. ВВЕДЕНИЕ

Целью настоящей работы является ознакомление с одним из методов определения молярной массы и плотности газа. Обе эти величины широко используются при целом ряде физических, химических и технических расчётов.

Молярной массой называется масса одного моля вещества. В системе СИ эта величина измеряется в кг/моль. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (молекул, атомов и т.д.),сколько атомов содержится в изотопе углерода 12 С массой

0,012кг.

Молярную массу газа можно определить способом, основанным на использовании уравнения состояния идеального газа. При не слишком высоких давлениях, но достаточно высоких температурах, газ можно считать идеальным. Состояние такого газа описывается уравнением Менделеева Клапейрона:

PV

m

RT ,

(1)

M

где P - давление газа;

V - объём газа; m - масса газа;

M - молярная масса газа;

R 8,3145 Дж/(моль.К) – универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура газа.

Из формулы (1) получаем выражение для молярной массы газа:

M

m

RT.

(2)

PV

Следовательно, для вычисления M необходимо знать

массу m ,

температуру T , давление газа P и занимаемый им объём V .

Если погрешности измерения P, V, T в данном эксперименте не превышают 1%, то определение массы газа т, находящегося в сосуде, с такой же точностью представляет сложную задачу ( для этого необходимо было бы взвесить сосуд, наполненный газом, и совершенно пустой сосуд). Полное удаление газа из сосуда практически невозможно: даже лучшие современные насосы не позволяют откачать газ до давления, меньшего чем 10-11мм рт. ст., при этом в каждом кубическом сантиметре объёма газа остаётся ещё около 1011 молекул.

Существует иной способ определения М, при котором не нужно добиваться полного удаления газа из сосуда, а достаточно лишь несколько изменить его массу. Пусть в сосуде объёмом V находится газ массой т, под давлением Р1 и при температуре Т. Уравнение состояния (1) для этого

газа примет вид

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2

PV

m1

RT

(3)

1

M

Откачаем часть газа из сосуда,

не изменяя его температуры

(изотермически). После откачки масса газа в сосуде и его давление уменьшатся. Обозначим их соответственно m2 , P2 и вновь запишем

уравнение состояния

PV m2 RT.

2M

Из уравнений (3) и (4) получаем

Mm1 m2 RT . P1 P2 V

(4)

(5)

Это выражение позволяет определить М, если известно изменение массы газа (но не сама масса) и изменение давления, а также температура и объём газа.

В данной работе исследуемым газом является воздух, представляющий собой, как известно, смесь азота, кислорода, аргона и других газов. Формула (5) пригодна и для определения М смеси газов. В этом случае

найденное значение М представляет собой некоторую среднюю или эффективную молярную массу смеси газов.

Молярная масса смеси газов может быть рассчитана и теоретически, если известно относительное содержание и молярная масса каждого из газов, входящих в смесь, по формуле

Mэфф

1

,

(6)

m1

1

m2

1

 ... 

mn

1

M2

Mn

m M1

m

m

где

m1

,

m2

....

mn

относительные содержания каждого газа;

m

m

m

M1 , M 2 ....Mn - молярные массы газов.

Если известна молярная масса газа, то легко определить ещё одну важную характеристику газа его плотность. Плотность газа это масса

единицы объёма газа



m

.

(7)

V

m

Выразив из уравнения Менделеева-Клапейрона

, получим

V

PM



.

(8)

RT

Формула (8) пригодна и для определения смеси газов,

если под М

понимать эффективную молярную массу смеси.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Сосуд с исследуемым газом (воздухом) представляет собой стеклянную колбу С с краном К.

Для определения изменения массы газа m1 m2 колбу с воздухом сначала взвешивают на весах и определяют m1 . (Перед взвешиванием

кран следует открыть, чтобы воздух в колбе находился при атмосферном давлеии).

После взвешивания колбу присоединяют к форвакуумному насосу. Включив насос (кран открыт), откачивают воздух из колбы до минимально возможного давления, которое может дать этот насос. С

помощью вакуумметра В определяется разность давлений P1 P2 между атмосферным P1 и остаточным давлением P2 в колбе.

После откачки и отсчёта разности давлений в колбе P1 P2 закрывают

кран и выключают насос. Колбу вновь взвешивают на весах, определяя её массу m2 вместе с оставшимся воздухом. Разность масс колбы до и после

откачки даёт то изменение массы газа в колбе m1 m2 , которое входит в

расчётное уравнение (5). Температуру газа принимают равной комнатной температуре, которую определяют по термометру.

Молярную массу воздуха вычисляют по уравнению (5). Можно полагать,

что систематические погрешности отдельных измерений в данной работе определяются, главным образом, пределами допускаемой основной погрешности средств измерения и погрешности отсчитывания. Поскольку ошибка в оценке газовой постоянной существенно меньше остальных, ею можно пренебречь.

Плотность воздуха при комнатных P1 , T рассчитывается по уравнению

(8). При этом атмосферное давление P1 отсчитывается по барометру.

3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что называется молем и молярной массой?

Вывести расчётную формулу для определения М.

В каком случае молярная масса будет больше: при опыте с чистым кислородом или со смесью газов (воздухом)?

Как можно оценить массу воздуха, удалённого из колбы?

Как определить остаточное давление воздуха в колбе, если с помощью

вакуумметра определена разность давлений P1 P2 ?

Как определить плотность воздуха в данной работе?

Значительно ли будут отличаться полученные результаты для М, если откачку воздуха из колбы произвести, например, до 300Па или 3 10-4 Па?

Найти концентрацию молекул газа при 270С и давлении 1мм рт. ст.

(ответ: n 3 1022 м-3).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

4

Какова разница в массе воздуха, занимающего помещение в 50м3, зимой и летом, если летом температура помещения достигает 400С, а зимой 00С. Считать давление постоянным, равным 1 атм (ответ: m =8 кг).

Найти эффективную молярную массу воздуха, рассматривая его как смесь азота (80%) и кислорода (20%). Процентное содержание дано по

массе (ответ: Мэфф=29 10-3 кг/моль).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПОРЯДОК РАБОТЫ НА ЦИФРОВЫХ ВЕСАХ

Включить тумблер «СЕТЬ» на задней стенке весов справа.

Снять с чашки весов крышку (колпачок).

Выдержать весы во включенном состоянии 10 мин, после чего произвести полуавтоматическую калибровку весов, для этого необходимо:

а) нажать кнопку «К», которая расположена с левой стороны основания весов, при этом на индикаторе должна появиться мигающая комбинация цифр «,000» и символ « » (не успокоения подвижной системы весов), сопровождающейся коротким звуковым сигналом; б) после исчезновения сигнала « » поставить в центр чашки весов

калибровочную гирю 200,000 г при этом на индикаторе вновь появится символ « », который по завершении процесса калибровки исчезает, а на индикаторе должно появиться немигающее число

«200,000»;

с) снять с чашки гирю, при этом на индикаторе должно установиться значение «,000» (“ ,004”), после чего нажмите кнопку «Т», весы готовы к работе.

Положите на чашку весов пенопластовое кольцо, при этом на индикаторе появится мигающая комбинация цифр «,000» и символ « », который по завершении процесса взвешивания исчезает, а на индикаторе появится немигающее число, равное весу кольца. После этого нажмите кнопку «Т» и весы готовы для взвешивания.

Поставьте колбу с воздухом на пенопластовое кольцо и определите её вес.

Откачайте воздух из колбы и вновь определите её вес.

После окончания работы на весах уберите с чашки весов пенопластовое кольцо, закройте чашку весов колпачком (крышкой) и выключите тумблер

«СЕТЬ». Предел основной погрешности весов осн 0,005г.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

5

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ФОРМА ОТЧЁТА

Титульный лист

УГТУ-УПИ

кафедра физики

ОТЧЁТ по лабораторной работе № 8

Определение молярной массы и плотности воздуха Студент(ка)__________________

Группа______________________

Дата________________________

На внутренних страницах: 1. Расчётные формулы:

Mm1 m2 RT , P1 P2 V

PM

1,

RT

где M - молярная масса воздуха;

m1 , P1 - масса и давление воздуха в открытой колбе;

m2 , P2 - масса и давление воздуха в колбе после откачки;

V - объём колбы;

T - абсолютная температура воздуха;

- плотность воздуха.

Эскиз установки.

Средства измерений и их характеристики.

Наименование

Предел измерений

Цена

Предел основной

средства

или номинальное

деления

погрешности осн

измерения и его номер

значение меры

шкалы

Весы электронные

цифровые

Вакуумметр

образцовый

Барометр ртутный

чашечный

Термометр ртутный

Стеклянная колба

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6

4.Результаты измерений

Масса колбы, г

Атмосферное

Разность

Температура

давление Р1,

давлений

Т,К

до откачки

после

m

откачки, m

гПа или Па.

P1 P2 усл.ед.

1

2

1усл. ед. давления равна………….гПа

Расчёт M , .

5.1. Вычисление молярной массы воздуха

Mm1 m2 RT ……….кг/моль

P1 P2 V

5.2. Вычисление плотности воздуха



PM

 ...........кг/м3.

1

RT

Расчёт погрешностей измерений

Вычисление границ неисключенных систематических погрешностей отдельных измерений

m1

m1 1,1 осн2

отсч2

 ...........г,

Р=0,95;

m1

 m2  ...............г,



 1,1

2

2

 ..........гПа,

Р=0,95;

осн

отсч

P1 P2

P1 P2

T

T

 1,1

осн2отсч2

 .................К,

Р=0,95;

V





осн

3см3,

Р=0,95;

V

P1  P1 1,1

осн2

отсч2

…………..гПА,

Р=0,95.

6.2. Вычисление границы относительной погрешности результата

измерения молярной массы воздуха

M

m1

2

P1P22



2



2

M

2





V



T

 ……..

M

m m

P

P

V

T

12

1

2

6.3.Вычисление границы абсолютной погрешности результата измерения

молярной массы

M  M M  …………….кг/моль,

Р=0,95.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

7

6.4. Вычисление границы относительной погрешности результата

измерения плотности

2



2



2



P1



M



T

 ............



P1 

M

T

6.5. Вычисление погрешности результата измерения плотности

 ………..кг/м3,

Р=0,95.

7. Окончательные результаты

M  M M ....... ........ кг/моль,

Р=0,95;

   ......  ......кг/м3,

Р=0,95.

8.Выводы.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

8.docx

8.docx
Размер: 74.5 Кб

.

Пожаловаться на материал

Лабораторная работа. Целью настоящей работы является ознакомление с одним из методов определения молярной массы и плотности газа.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Росія у 1991-2000 рр.

Відновлені та нові незалежні держави: початок самостійного життя (1991-2000 рр.)

Литургика. Ответы

Субъекты административного права

Реферат. Теоретико-методологические основы понятия физических лиц как субъктов административного права. Правовой статус физических лиц как субъектов административного права

Охрана труда на производстве

Приказы о распределении обязанностей по охране труда между работниками. Инструкции по охране труда. Списки и перечни по охране труда. Учет проведения инструктажей, обучения по охране труда. Документирование несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний.

Цивільне процесуальне право

Цивільний процесуальний кодекс. Питання та відповіді до іспиту. Зміст рішення суду. Зміст позовної заяви. Цивільна дієздатність фізичної особи. Сімейний кодекс України. Усиновлення, позбавлення батьківських прав, визнання громадянина обмежено дієздатним чи недієздатним. Звернення до суду із заявою. Юридичне значення. Відкриття справи. Цінні папери в цивільному обороті

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok