Journaløvelse om bestemmelse af magnesiums atommasse
Udarbejdet af [navn fjernet]
2.m,
I samarbejde med Nina Lander
Svendsen og Niels Flemming Hansen.
[navn fjernet] 2.m
1
Formål½
Formålet med denne opgave er at finde magnesiums atommasse. For at finde denne skal vi først finde
stofmængden, n, og massen. Førstnævnte finder vi ved hjælp af idealgasloven, mens massen bliver fundet
ved vejning.
Teori
Magnesium (Mg) er et metal. Når det reagerer med svovlsyre, eller for den sags skyld saltsyre, dannes der
hydrogen og et salt. Dette ville også være tilfældet med andre metaller, som fx zink og jern. Disse reagerer
dog ikke lige så hurtigt, og derfor er det mere ideelt at benytte magnesium i vores tilfælde.
Reaktionsskemaet ser altså således ud:
Mg(s) + H
2
SO
4
(aq) MgSO
4
(aq) + H
2
(g).
Svovlsyren som vi skal bruge i dette forsøg er 2 molær. Det betegnes også 2 M. Det betyder, at det
indeholder 2 mol svovlsyre pr. liter.
Den molare masse betegnes g/mol, hvorimod atommassens betegnelse er unit. Denne findes ved hjælp af
følgende formel: = , hvor m er det pågældende stofs masse, mens n er stofmængden for stoffet. For at
finde frem til denne molare masse, må man dog tage en lille omvej. Først skal man nemlig benytte sig af
idealgasloven, som ser således ud:
For at finde den molare masse skal vi bruge stofmængden, n. Den kan vi således finde ved hjælp af
idealgasloven, hvis vi kender tryk(p), volumen(V) og temperatur(T). Derudover skal vi naturligvis også
benytte R, som er en naturkonstant. Dette betyder, at den har samme værdi for alle gasser derfor kaldes
den også gaskonstanten. Værdien for denne konstant er følgende: .
De forskellige variabler findes på forskellige måder. Trykket er defineret som kraften på en væg divideret
med væggens areal: =. I dette forsøg finder man trykket ved at aflæsning på et barometer. Dog er det
vigtigt at bemærke, at der i dette forsøg også eksisterer et tryk inde i beholderen grundet vanddamp.
Vanddampstrykket varierer i forhold til hvor varmt vandet er. Disse tabelværdier kan ses hér:
Figur 1: Tabelværdier for vanddampstrykket i forhold til temperaturen.
[navn fjernet] 2.m
2
Tryk bliver målt i bar, mens volumen bliver målt i liter. Den temperatur man skal bruge i idealgasloven er
kelvin, og ikke celsius som man bruger i hverdagen. Omregningen er relativ simpel. Ved celsius ligger det
absolutte nulpunkt ved -273 °C. Hér starter kelvingraderne. Man skal med andre ord blot lægge 273 til
celsius-graderne for at få temperaturen i kelvin.
Materiale
Til dette forsøg brugte vi bl.a. et 300 mL Hayduck
gasmåleapparat. I forbindelse med dette sad en
niveaukugle, samt en rundbundet kolbe. Denne
rundbundede kolbe var forbundet vha. en slange. Denne
kolbe var samtidig tætnet med en prop. For at måle
trykket i lokalet benyttede vi os af et barometer.
Derudover brugte vi et måleglas og en tragt til at afmåle
og hælde 30 mL 2M svovlsyre ned i den rundbundede
kolbe. Ned i denne kolbe kom vi også magnesiumbånd.
Slutteligt benyttede vi os af et termometer til at måle
temperaturen i kolben og et stativ til hele opsætningen.
Forsøgsopstillingen så ud som vist på figur 2.
Forsøget
Det første, vi gjorde i dette forsøg, var at slibe noget
magnesiumbånd med ståluld. Grunden til, at man gør
dette, er, at overfladen på magnesium bliver oxideret, og derfor skal man først slibe det af. Dernæst
afmålte vi 202,8 mg magnesium.
Efterfølgende fyldte vi 30 mL 2M svovlsyre i den rundbundede kolbe. Derudover fyldte vi
Hayduckmålerøret med vand alle 300 mL. I praksis betyder det, at man fylder Hayduckmålerøret med
vand til 0 mL gennem den tidligere nævnte niveaukugle. Dernæst former man magnesiumbåndet som en
fuglerede og smider det ned i svovlsyren, hvorefter man sætter proppen forsvarligt på.
Hér vil der ske en reaktion, hvor hydrogen frigives og varme udvikles. Der er altså tale om termisk proces.
Samtidig vil der dannes et salt; MgSO
4
(aq). Dette salt ligger tilbage i den rundbundede kolbe, da vand ikke
bevæger sig opad. Det kan hydrogen derimod godt, da det er på gasform. I takt med at mere hydrogen
bliver frigivet, vil hydrogenet presse vandet længere nedad i hayduckmålerøret. Dette vand bliver altså
presset over i niveaukuglen. Efterfølgende vil den rundbundede kolbe være varm, grundet den termiske
proces. Vi venter da indtil beholderen endnu en gang er nået stuetemperatur, hvorefter vi måler
temperaturen: 21 °C.
Masse af magnesium/mg
Temperatur/°C
Rumfang/mL
Luftens tryk/mb
202,8 mg
21 °C
194 mL
996 mb
Figur 3: Måleresultaterne i første omgang, inden de blev tilpasset til idealgasloven.
Figur 2: Forsøgsopstillingen i denne opgave
[navn fjernet] 2.m
3
For at sikre at trykket er ens i de to beholdere, kan man regulere på niveaukuglen, så vandstanden bliver
den samme i de to beholdere. Da man har gjort dette, kan man finde rumfanget/volumen af hydrogenet.
Det kan man gøre i Hayduckmålerøret; inden vi påbegyndte forsøget, var røret fyldt helt op med vand. Alt
det vand, der er blevet presset over i niveaukuglen, må således være hydrogenets volumen. Vi kan således
aflæse hydrogenets volumen til at være 194 mL.
Slutteligt aflæser vi trykket i lokalet ved hjælp af et barometer, som vi får til 996 mb. Dette er det samme
som 0,996 bar.
Beregninger
Inden vi kan benytte idealgasloven for at finde stofmængden, skal man sørge for, at alle variablerne har
den rigtige benævnelse og for den sags skyld, at det er det endelige svar. Sidstnævnte er nemlig essentielt,
når det gælder trykket, p. Man skal nemlig huske at trække vanddampstrykket fra det eksisterende tryk.
Herved får man følgende resultat: 0,996 0,025 = 0,971 bar.
Nu kan vi således bruge idealgasloven, da vi ved tidligere lejlighed har fundet alle variablerne på nær
stofmængden. Den finder vi ud fra idealgasloven:
0,971 * 0,194 = n * 0,0831 * 294
n = 0,00771 mol
Da vi nu har fundet stofmængden for hydrogen, kan vi finde den samme for magnesium, da der er tale om
ækvivalente mængder i forholdet 1:1. Dette resultat kan vi bruge til at finde den molare
masse/atommassen. Vi var lige udregnet stofmængden, og vi har tidligere vejet magnesiumbåndet.
Dermed får vi følgende udregning og resultat:
=0,20280,00771 = 26,3035
Som tidligere nævnt adskiller den molare masse og atommassen ved benævnelsen, der skal bruges. Mens
den molare masse måles i måles atommassen i unit. Altså er atommassen for magnesium 26,3035 unit.
Masse af
magnesium/g
Temperatur/K
Rumfang af
hydrogen/L
Hydrogens tryk/b
Stofmængden af
hydrogen/mol
0,0208 g
294 K
0,194 L
0,971 bar
0,00771 mol
Figur 4: Måleresultaterne med de rigtige benævnelser i forhold til idealgasloven. Samtidig er hydrogens stofmængde nu også fundet.
[navn fjernet] 2.m
4
Fejlkilder
Af fejlkilder kan nævnes, at proppen evt. kan have siddet en anelse løst eller ikke sluttet fuldkommen tæt,
hvorfor noget af hydrogenet kan være undsluppet til den omgivende luft. Samtidig skete reaktionen
mellem magnesiumbåndet og svovlsyren så hurtigt, at noget af hydrogenet nåede at slippe ud inden
proppen blev sat på den rundbundede kolbe. Derudover kan selv den mindste unøjagtighed i termometret
have haft stor indflydelse, da vi opererer med meget små tal. Den førstnævnte må siges at være den
største fejlkilde, men man skal ikke glemme de andre, da der, som nævnt før, er tale om meget små tal,
hvorfor selv en lille afvigelse har afgørende betydning for resultat.
Konklusion
Overordnet synes vi, at forsøget gik godt. Tabelværdien for magnesiums atommasse er 24,31 unit. Vores
resultat ligger altså et stykke fra, men alligevel mener vi, at forsøget gik som det skulle taget i betragtning
af vores fejlkilder. Afvigelsen i forhold til tabelværdien er altså følgende: 26,3035 24,31 = 1,9935.
Ud fra denne information kan vi således finde den procentuelle afvigelse i forhold til tabelværdien:
Ideelt set skulle fejlmarginen være under 5 %, men selvom den ikke var det i dette forsøg, vil vi stadig
mene, at forsøget er forløbet planmæssigt, og at vi har fået et fornuftigt resultat.