Rapport om Bestemmelse af Magnesiums Atommasse

Side 1

Magnus 2.m

22/11 2010

1

Journaløvelse: Bestemmelse af magnesiums atommasse

Formål

Formålet med forsøget og de efterfølgende beregninger er at bestemme magnesiums atommasse efter først at have bestemt stoffets molare masse.

Teori

Magnesium er et metal. Metaller som dette reagerer med svovlsyre (eller saltsyre) under dannelse af et hydrogen og et salt. For at opfylde vores mål, at finde molarmassen, er det en forudsætning at kende 2 af 3

værdier, i følgende naturlov: M=m/n. M=molarmasse(g/mol), m=masse(g), n=stofmængde(mol) Vi kender

massen, qua at vi afvejede vores mængde af magnesium inden vi for alvor gik i krig med forsøget. Vejen til stofmængden går igennem idealgasloven:

𝑝 ∗ 𝑉 = 𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇

Idealgasloven angiver sammenhængen mellem følgende værdier: p=tryk(bar), V=volume(L),
n=stofmængde(mol), T=temperatur(Kelvin) og R=gaskonstanten. Gaskonstanten er en naturkonstant med
samme værdi for alle gasser. R=0,0831_{𝑚𝑜𝑙∗𝐾}^{𝐿∗𝑏𝑎𝑟}. Tryk måles i bar, og barometertilstanden giver et svar i mb.

Tryk kan aflæses på et barometer i kemilokalet. Tryk er afgrænset som kraft divideret med arealenhed, i

formelsprog: P = F/a. Man omregner til bar ved at gange med 10^{-3}, 1000mb=1bar. Vores målte temperatur

tager også afstand fra den korrekte værdi. Vi har målet den i den mere dagligdagsvenlige enhed, Celsius, men den korrekte skala at bruge er kelvinskalaen. Kelvinskalaen har nulpunkt i ”det absolutte nulpunkt”, -

273 grader celsius. Man omregner fra celsius til kelvin, ved at lægge 273 til det den givne celsius

temperatur, da 0˚Kelvin=-273˚ celsius. Ydermere skal volumen omregnes fra ml til L, som gøres ved at
dividere med 1000, da 1L=1000ml. Vi kender alle værdierne på nær stofmængden, og vi kan derved snildt

beregne stofmængden. I vores forsøg, er der dog en yderligere faktor, som skal indkalkuleres: der er foruden hydrogen nogle mættede vanddampe i røret. Dette såkaldte mættede vanddampstryk varierer i takt med temperaturen. I skemaet, under er variationen vist:

Temp/ 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

oC

Tryk/b 0,017 0,018 0,019 0,021 0,022 0,023 0,025 0,026 0,028 0,030

ar

Tryk/k 1,71 1,82 1,94 2,06 2,20 2,34 2,49 2,64 2,81 2,98

Pa

I forsøget reagerer magnesium med svovlsyre, hvilket giver følgende reaktionsligninger:

Stofreaktionsskema: Mg(s) + H2SO4(aq) 🡪MgSO4 (aq) + H2(g) (magnesiumsulfat, salt)
Ionreaktionsskema: Mg(s) + 2H+(aq) 🡪Mg++ (aq) + H2(g)

M= molær = mol/L(fx 2 M =2mol/L). Atommassen er den gennemsnitlige vægt af atomerne i et grundstof.

Den kan aflæses i det periodiske system i atommasseenheden, u(unit). Atommassen er molarmassen i unit.

Side 2

Magnus 2.m

22/11 2010

2

Apparatur

• Hayducks gasmåleapparat(300 mL)

• Rundbundet kolbe

• Gummiprop

• Måleglas

• Termometer

• Plastictragt

• Barometer(på væggen i kemilokalet)

Forsøgsbeskrivelse

Først foretog vi en håndfuld beregninger. Vi afvejede, som påkrævet, 200 g magnsiumbånd samt lufttrykket, der på det givne tidspunkt var: 996mb. Magnesiumbåndet skulle slibes med ståluld. Så afmålte vi 30 mL 2 M svovlsyre(H2SO4(aq) ). Sidste forberedelse var da vi målte temperaturen i kolben, der var

20˚C. Så fyldte vi vand op til 0 mL-mærket i niveaukuglen. Dernæst lavede vi en såkaldt fuglerede af magnesiumbåndet, og anbragte den i det vertikalt liggende kolberør. Så fyldte vi målerøret med vand indtil dets vandoverflade tangerede vandoverfladen i niveaukuglen, hvilket bevirker at det indre og ydre tryk er

det samme. Så skulle vi aflæse gassens(hydrogen, h_{2}) rumfang, hvilket var 0 mL inden forsøgets start. Så

hældes kolben på skrå, så fuglereden af magnesiumbånd glider ned i svovlsyren. Hydrogenudviklingen kickstartes dermed. Dernæst sank vi niveaukuglen ligeså stille, og i takt med at vi gjorde det, blev vandet i niveaukuglen forvist til vasken af hydrogenen. Efter en nedkøling af apparatet gentog vi temperaturmålingen, der denne gang viste

21˚C.

Inden forsøget: masse af magnesium(mg) Temperatur(˚C) Volume(mL) Lufttryk(mb)

203mg 20˚C 0mL 996mb

Forsøgsopstillingen hvor en rundbundet kolbe er forbundet med hayducks måleapparat.

Den mere grafiske version af forsøgsopstillingen.

Side 3

Magnus 2.m

22/11 2010

3

Resultater og beregninger

Når magnesium og lignende metaller reagerer med salt eller svovlsyre, frigives hydrogen, ergo er der frigivet hydrogen i dette forsøg. Som det fremgår af øvelsesvejledningen, er hydrogen og magnesium i dette tilfælde ækvivalente mængder. Ud fra de informationer vi kender, kan vi beregne hydrogens stofmængde. Dermed er magnesiummets stofmængde også givet, da den er identisk qua at forholdet mellem dem i reaktionsligningen er 1:1 og dermed er forholdet mellem stofmængderne ligeså.

Masse af Temperatur(k) Rumfang af Hydrogenets Stofmængden af magnesium(g) hydrogen(L) tryk(b) hydrogen(mol)

0,203g 294k 0,222L 0,971bar 0,0088g/mol

• Hvis vi tager værdierne i fra venstre af, er den første værdi 0,203g, da det var det antal gram, vores fuglerede af magnesiumbånd vejede. Vi afvejede 203 mg magnesiumbånd, hvilket omregnet til

gram: 203*10^{-3} giver 0,203g.

• Vi lod apparatet køle af til stuetemperatur, nærmere bestemt: 21,0 ˚C. Temperaturen skal være i kelvin, før den er brugbar i idealgasloven. Man omregner fra celsius til kelvin ved at lægge 273 til

den specifikke celsius-temperatur => temperaturen er 21,0+273=294˚k.
• Rumfanget af hydrogenet er 222 mL, altså 222*10^{-3} =0,222L, efter forsøget, hvor alt vandet var

erstattet af hydrogenet.

• Hydrogenets tryk = luftens tryk – mættede vandamps tryk. Luftens tryk var 996 mb altså 996*10^{-}

3

=0,996 bar. I røret er der foruden hydrogen også nogle mættede vandampe, der spiller ind i denne

sammenhæng. Det mættede vanddampstryks sammenhæng med temperatur fremgår af databoksen i øvelsesvejledningen og teori. Det mættede vanddampstryk ved 21˚C er 0,025 bar.

Hydrogenets tryk er altså 0,996-0,025 = 0,971 bar.
• Til at beregne stofmængden anvendes idealgasloven: 𝑝 ∗ 𝑉 = 𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇. Hydrogen er en gas, og

derfor er det idealgasloven vi gør klogt i at anvende. Værdierne indsættes:

0,971*0,222=n*0,0831*294 n= 0,0088mol. (solve på cas).

Næste skridt på vejen mod bestemmelsen af magnesiums molare masse, er at bruge naturloven M=m/n.

m(masse) kender vi tilbage fra vores indledende vejninger, den er 203mg og dermed 0,203g.

Stofmængden(n) er snildt bestemt grundet ækvivalensen mellem magnesium og hydrogen i vores ionreaktionsskema: n er 0,0088mol.

Derfor er M=0,203/0,0088=23,0682g/mol

Atommassen er molarmassen i unit. Derfor kan vi nu bestemme magnesiums atommasse: 23,0682 u. Dette

betyder at magnesium=23,0628 u(ca.) => 1 mol magnesium= 23,0628g = 23,0682*6,023*10^{23} molekyler.

Side 4

Magnus 2.m

22/11 2010

4

Diskussion

Hvis man slår magnesiums atommasse op i det periodiske system, altså facit til vores forsøg, er den 24,31 u.

Det danner grobund for en diskussion af fejlkilder til vores kvantitative forsøg, der altså gav et forholdsvist ukorrekt svar.

Fejlkilder

Der er altid fejlkilder i et forsøg, men i dette forsøg er det ekstraordinært aktuelt at diskutere dem, da vi kun tilnærmelsesvist ramte plet med resultatet. VI kan for det første have vejet vores magnesiumbånd upræcist. En anden faktor, er afkølingen af apparatet: havde vi afkølet vores rundbundede kolbe lidt længere, havde vores endelige resultat været højere, hvilket er ønskværdigt i forhold til magnesiums atommasse, som den er angivet i det periodiske system. Vi kan også have afmålt upræcist i løbet af forsøgsseancen og derved destabiliseret vores endelige resultat. Afrundingsfejl under beregninger kan også have forskubbet det endelige resultat, men her snakker vi primært marginale størrelser, når man tænker på at vi missede med over 1 u. Noget man skal kalkulere med, når man anvender naturloven, idealgasloven, er at den idelle gas ikke findes i virkeligheden, da et stof ikke kan være på gasform ved det absolutte nulpunkt

– det vil skifte tilstandsform inden. Idealgasloven er konstrueret på baggrund af tanken om den ideelle gas, hvilket er en illusorisk tanke, da den ideelle gas, som sagt, ikke findes i virkeligheden. Hydrogen vil altså, analogt med alle andre gasser, ikke være i stand til at afspejle idealgasloven til punkt og prikke.

Konklusion

Forsøget gav et delvist ukorrekt resultat. Formålet var at finde magnesiums atommasse. Det var ikke uhyre langt fra, så der er ikke begået ekstreme fejl undervejs. Dog er der fejlkilder, der spiller ind. Det kan have været i hhv. forsøgsprocessen og den efterfølgende beregningsproces. Der er dels de klassiske klichéer om upræcis vejning og afmåling undervejs i forsøgsseancen. Derudover er det værd at bide mærke i at den ideelle gas ikke findes. Summar summarum er at forsøget i store træk gik som det skulle, men at resultatet vidner om en eller flere forstyrrende faktorer, der har ført et lidt sjusket resultat med sig.

Kemikalieaffaldets skæbne

Reaktionen mellem svovlsyre og magnesium resulterede i saltet magnesiumsulfat. Spørgsmålet er, hvad der efterfølgende skal gøres med dette produkt. Svovlsyre er en meget svag syre, der sædvanligvis bør samles i en affaldsdunk for syrer, med henblik på sikker transport til modtagerstation for kemikalieaffald. Hvad angår magnesiumsulfat, er der intet farligt i det. Man kan blot opløse det i vand og hælde det i toilettet.

X

Magnus Juhl 2.m