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:
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=
. 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/
oC
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Tryk/b
ar
0,017
0,018
0,019
0,021
0,022
0,023
0,025
0,026
0,028
0,030
Tryk/k
Pa
1,71
1,82
1,94
2,06
2,20
2,34
2,49
2,64
2,81
2,98
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.
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.
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
magnesium(g)
Temperatur(k)
Rumfang af
hydrogen(L)
Hydrogenets
tryk(b)
Stofmængden af
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: . 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.
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