Определение эквивалента и молярной массы металла

Цель работы: определить эквивалент и молярную массу неизвестного металла.

Оборудование и реактивы: бюретка, двурогая пробирка, уравнительный цилиндр, соединительные резиновые трубки, термометр, барометр, аналитические весы, стеклянные стаканы, неизвестный металл, неизвестная кислота неизвестной концентрации.

Теоретическая часть:

Наиболее распространённый метод определения молярной массы основан на использовании уравнения Менделеева – Клайперона: . Так же для определения молярной массы металла используют калориметр: по найденному значению теплоёмкости металла рассчитывают молярную массу с использованием закона Дюлонга – Пти. Из закона Дюлонга и Пти следует, что, разделив 26 на удельную теплоемкость простого вещества, легко определяемую экспериментально, можно найти приблизительное значение атомной массы данного элемента.

Для определения эквивалента металла собирают прибор из двурогой пробирки, бюретки и уравнительного цилиндра (Рис 1).

Практическая часть:

1) Собрали установку (рис.1);

2) Заполнили бюретку водой так, чтобы при выравнивании менисков воды в бюретке и цилиндре уровень воды в бюретке был на нулевом делении;

3) Перед каждым измерением проверяли прибор на герметичность;

4) Затем в одно из колен двурогой пробирки поместили кусочек неизвестного металла, известной массы. А в другое колено залили неизвестную кислоту, неизвестной концентрации;

5) Прилили кислоту к металлу. Для увеличения скорости реакции нагревали колено, в котором происходила реакция; (В это время выделяющийся водород вытеснял воду из бюретки);

6) Охлаждали прибор до комнатной температуры;

7) Опыт проводили 3 раза, с соблюдением всех правил;

8) Результаты занесли в таблицу:

Таблица 1

Если Ме одновалентный:

Me + HА МеА + 1/2Н₂

Значит, n_эк(H₂) =1/2 n_эк(Me);

, , ,

= = 32,86 (гр./экв.)

= = 32,26 (гр./экв.)

= = 32,42 (гр./экв.)

Если же металл двухвалентный, то значение молярного эквивалента необходимо умножить на 2;

9) Оценим погрешность измерений:

Пусть M_эк1, M_эк2, M_эк3 численно равны x₁, x₂, x₃ соответственно, тогда x₁= 32,86, x₂= 32,26,

x₃= 32,42. n – число опытов, тогда n=3.

Х=σ ∙ τ, где τ_{2; 0,95} = 4, 3020

∆Х = 0,19,113 ∙ 4, 3020 = 0,82224

M_эк = ± ∆Х = (32,523±0,82224) (гр./экв.)

10) Получили в препараторской кусочек неизвестного металла и взвесили его на аналитических весах по принятой технологии. Масса металла равна массе гирек, лежавших на правой чаше весов: 100+20+20+5+2+1+2∙0,2 = 148,4 (грамма);

11) Поставили стакан с дистиллированной водой на песчаную баню, для того, чтобы вода нагрелась;

12) После того, как вода в стакане закипела, мы погрузили в неё кусочек металла так, чтобы он не касался стенок сосуда (подвесили на деревянную палочку), и кипятили в течении 30 минут;

13) В то время, как металл находился в кипящей воде, мы собрали калориметр – в толстостенный сосуд из нетеплопроводного материала поставили стеклянный стакан, и налили в него 300 мл. дистиллированной воды, а так как плотность воды составляет 1 гр./см³., то масса воды равна 300 грамм. По показаниям термометра температура воды составила 25ºС, что равно 298K.

14) По истечению 30 минут металл из кипящей воды был помещён в калориметр так, чтобы металл не касался стенок сосуда. При этом за температуру металла мы приняли температуру кипящей воды, которая по показаниям термометра составила 98ºС или 371К.

15) Помешивая воду в калориметре мы наблюдали за показанием термометра, опущенного в стакан с металлом. Максимальная температура воды оказалась равна 26,5 ºС или 299,5К.

16) Измерили теплоёмкость металла:

Для этого воспользовались формулой: M(T₁-T)=C_уд.m(T₂-T₁), где

М – масса воды в калориметре = 300 грамм = 0,3 кг.;

Т – начальная температура воды в калориметре = 298К;

T₁ – температура воды в калориметре после погружения в неё горячего металла = 299,5K;

m – масса металла = 148,4 грамма = 0,1484 кг.;

T₂ – температура горячего металла = 371K

(кДж/(кг∙К))

Следовательно по закону Дюлонга – Пти, молярная масса равна 26/0,414 = 63 (г./моль).

Вывод:

Мы определили молярную массу металла двумя способами. С помощью закона эквивалентов мы получили значение молярного эквивалента металла, которое с учётом погрешностей составило 32,523±0,82224 (гр./экв.), а с помощью калориметра значение молярной массы металла 63 (г./моль). Примерное значение молярной массы металла приблизительно в два раза больше молярного эквивалента этого же металла, следовательно металл – двухвалентный. Тем самым, мы можем принять удвоенный молярный эквивалент металла за молярную массу металла: 65,046±1,64448 гр./моль. Два полученных значения приблизительно равны между собой. В периодической системе элементов Д.И. Менделеева находятся два элемента, молярные массы которых находятся в допустимых пределах нашего определения – это медь и цинк. Но в ряду активности металлов медь находиться правее водорода, следовательно реакция взаимодействия меди и кислоты невозможна. Таким образом, искомый металл – цинк, молярная масса которого 65 гр./моль. Как мы видим, наиболее точный результат даёт метод, связанный с определением эквивалента металла.

В препараторской мы убедились, что исследуемый металл – это действительно цинк.