Teks karya ditempatkan tanpa gambar dan rumus.
Versi lengkap dari karya tersebut tersedia di tab "File Pekerjaan" dalam format PDF
Mempelajari topik "Persamaan Mendeleev-Clapeyron" dalam pelajaran fisika, saya sering bertemu dengan tugas-tugas di mana perlu untuk menentukan massa molar udara. Contoh: sebuah balon bermassa cangkang berisi helium mengangkat beban bermassa m. Tekanan atmosfer dan suhu dianggap nilai yang diketahui.
Saya tertarik dengan pertanyaan tentang bagaimana mengukur massa molar udara secara eksperimental.
Salah satu cara untuk menentukan massa molar udara adalah dengan metode pemompaan udara. Tetapi metode ini membutuhkan peralatan khusus, yang tidak kita miliki di sekolah. Saya memutuskan untuk menemukan cara yang terjangkau untuk menentukan massa molar udara.
1. Sejarah penemuan komposisi udara dan massa molarnya
Udara diperlukan untuk keberadaan normal organisme hidup di Bumi. Dalam industri dan kehidupan sehari-hari, oksigen atmosfer digunakan untuk membakar bahan bakar untuk mendapatkan panas dan energi mekanik dalam mesin pembakaran dalam.
Massa molar adalah karakteristik suatu zat, yang sama dengan rasio massa suatu zat dengan jumlah mol zat ini, mis. massa satu mol zat. Untuk unsur-unsur kimia individu, massa molar adalah massa satu mol atom individu dari unsur ini, yaitu massa atom suatu zat yang diambil dalam jumlah yang sama dengan Bilangan Avogadro. Dalam hal ini, massa molar unsur, dinyatakan dalam g / mol, secara numerik bertepatan dengan massa molekul - massa atom unsur, dinyatakan dalam a. e.m. (satuan massa atom). Namun, kita harus memahami dengan jelas perbedaan antara massa molar dan berat molekul, memahami bahwa mereka hanya sama secara numerik dan berbeda dalam dimensi.
Pada abad ke-17, dalam karya G. Galilea(1638) dan R. Boyle(1662) menunjukkan bahwa udara adalah zat material dan memiliki sifat fisik yang jelas (massa dan tekanan).
Ilmuwan Swedia K. Scheele(1742-1786) mengatur serangkaian percobaan. Mempelajari komposisi udara, ia sampai pada kesimpulan bahwa udara atmosfer terdiri dari 2 jenis udara: "berapi-api", mendukung pernapasan dan pembakaran (O 2) dan "manja", tidak mendukung pembakaran (N 2). Dia melakukan eksperimen untuk mempelajari interaksi udara di ruang tertutup yang bersentuhan dengan berbagai zat. Dalam semua kasus, sekitar 1/5 dari volume awal udara diserap. Pada saat yang sama, gas yang tersisa ternyata lebih ringan dari udara biasa dan tidak mendukung pembakaran. Scheele pertama kali menemukan O2.
Pada tahun 1774 seorang ilmuwan Perancis A. Lavoisier membuktikan bahwa udara adalah campuran dari dua gas - N 2 dan tentang 2 .Dia menulis karya "Analisis Udara Atmosfer". Dia memanaskan logam merkuri dalam retort (lihat tautan) di anglo selama 12 hari. Ujung retort diletakkan di bawah bel yang ditempatkan dalam wadah dengan Hg. Akibatnya, tingkat merkuri di lonceng naik sekitar 1/5. Zat oranye-merah, merkuri oksida, terbentuk pada permukaan merkuri di retort. Udara yang tertinggal di bawah bel tidak dapat dihirup. Pengalaman Lavoisier memungkinkan untuk menilai komposisi udara; ternyata udara mengandung 4/5 N 2 dan 1/5 O 2 volume.
Hampir bersamaan dengan oksigen, komponen penting lain dari udara, N2, diisolasi dan dipelajari. (Daniel Rutherford pada tahun 1772). Agak sebelumnya Rutherford N 2 diterima oleh seorang peneliti Inggris - G. Cavendish dan disebut "udara manja".
________________________________________________________________________
membalas(lat. jawaban, secara harfiah - berbalik) - peralatan yang berfungsi di laboratorium kimia dan praktik pabrik untuk distilasi atau untuk mereproduksi reaksi yang memerlukan pemanasan dan disertai dengan pelepasan produk volatil berupa gas atau cair, yang langsung disuling dengan segera.
Ahli kimia W. Ramsay dan fisikawan D. Rayleigh pada tahun 1894 mereka menemukan gas berat yang merupakan bagian dari udara - argon. Setahun kemudian, Ramsay menemukan helium. Bersama dengan Travers dia membuka kripton,xenon dan neon . Pada tahun 1900, fisikawan Inggris E. Rutherford menemukan radon.
Jadi, udara adalah campuran gas yang membentuk atmosfer bumi.
Terdiri dari:
|
Komposisi udara atmosfer |
||
|
Nama gas utama |
Berat molekul relatif, g/mol |
|
|
Oksigen |
||
|
Karbon dioksida |
||
Komposisi atmosfer bumi tetap konstan di atas daratan, di atas laut, di kota-kota dan di pedesaan. Itu juga tidak berubah dengan ketinggian. Harus diingat bahwa kita berbicara tentang persentase konstituen udara pada ketinggian yang berbeda. Namun, ini tidak dapat dikatakan tentang konsentrasi berat gas. Saat kita naik ke atas, kerapatan udara berkurang dan jumlah molekul yang terkandung dalam satu unit ruang juga berkurang. Akibatnya, konsentrasi berat gas dan tekanan parsialnya menurun.
1.1 Metode kimia untuk menentukan massa molar udara
masa molar adalah massa satu mol zat.
Ada berbagai cara untuk menentukan berat molekul udara. Mari kita definisikan dengan menggunakan rumus dari kursus kimia.
Diketahui: SI: Solusi:
) 23%)* Tuan()+ ()* Tuan()+
() 76% + (Ar)* Tuan(Ar) ;
Mr()=32 g/mol 32*kg/mol
Mr() =28 g/mol 28* kg/mol
Mr(Ar) =40 g/mol 40* kg/mol
Jawab: Massa molar udara adalah
1.2 Metode ekstraksi udara
Skema pemasangan untuk memompa udara dari labu:
C - labu kaca;
A- tabung karet;
B-pengukur vakum.
Dengan menggunakan persamaan keadaan untuk gas ideal, massa molar gas dapat ditentukan. Pada tekanan yang tidak terlalu tinggi, tetapi suhu yang cukup tinggi, gas dapat dianggap ideal.
Keadaan gas tersebut dijelaskan oleh persamaan Mendeleev-Clapeyron:
di mana P - tekanan gas; V adalah volume gas; m massa gas; M adalah massa molar gas;
R = 8,3145 J / (mol∙K) - konstanta gas universal; T adalah suhu mutlak gas.
Dari rumus (1) kita memperoleh ekspresi untuk massa molar gas:
Oleh karena itu, untuk menghitung M, perlu diketahui massa gas m, suhu T, tekanan gas p, dan volume V yang ditempati.
Misalkan sebuah bejana dengan volume V berisi gas bermassa m 1 di bawah tekanan p 1 dan pada suhu T. Persamaan keadaan (1) untuk gas ini akan berbentuk
Kami memompa sebagian gas dari bejana tanpa mengubah suhunya (secara isotermal). Setelah memompa keluar, massa gas di kapal dan tekanannya akan berkurang. Mari kita nyatakan masing-masing m2 dan P2, dan tulis ulang persamaan keadaan
Dari persamaan (3) dan (4) diperoleh
Dengan menggunakan persamaan ini, mengetahui perubahan massa gas dan perubahan tekanan, serta suhu dan volume gas, Anda dapat menentukan massa molar udara.
Dalam karya ini, gas yang diteliti adalah udara, yang dikenal sebagai campuran nitrogen, oksigen, karbon dioksida, argon, uap air, dan gas lainnya. Rumus (5) juga cocok untuk menentukan M dari campuran gas. Dalam hal ini, nilai M yang ditemukan adalah massa molar rata-rata atau efektif dari campuran gas.
3. Bagian praktis
3.1 Penentuan massa molar udara
Masalahnya diambil sebagai dasar percobaan kami: sebuah bola dengan massa kulit yang diisi dengan helium mengangkat beban bermassa m. Pertimbangkan tekanan dan suhu sebagai nilai yang diketahui.
Berikut adalah ide dari pengalaman: Sebuah balon berisi helium mengangkat beban plastisin. Untuk balon anak-anak yang diisi dengan helium, kami akan mengambil beban dengan massa sedemikian rupa sehingga menggantung di udara. Cangkang bola diasumsikan tidak dapat diperpanjang. (Lampiran 1)
Kami akan mendemonstrasikan skema percobaan dengan indikasi semua kekuatan. Cangkang bola, helium, berat dipengaruhi oleh gravitasi mg, dan gravitasi ini diseimbangkan oleh gaya Archimedes. Menurut hukum kedua Newton, gaya Archimedes sama dengan jumlah gaya gravitasi.
Kemudian kita mendapatkan rumus:
Mari kita gunakan rumus Mendeleev-Clapeyron:
Mari kita nyatakan massa molar:
Kami mengganti kerapatan udara yang diperoleh dari rumus ketiga menjadi yang kelima dan mendapatkan rumus untuk menghitung massa molar udara:
Dari sini dapat disimpulkan bahwa untuk menemukan massa molar udara, perlu untuk mengukur massa muatan (Lampiran 2), massa helium, massa cangkang (Lampiran 3), suhu (Lampiran 4) , tekanan udara (Lampiran 5), volume bola.
Mari kita cari volume bola. Untuk melakukan ini, tuangkan air ke dalam akuarium, beri tanda, lepaskan helium dari balon dan melalui lubang di balon, menggunakan tabung dan corong, isi balon dengan air, ketinggian air naik persis dengan volume Balon. Dengan menggunakan gelas kimia, menuangkan air dari akuarium ke tanda aslinya, kami menentukan volume bola (Lampiran 6).
Kami menemukan massa helium dalam bola menggunakan persamaan Mendeleev-Clapeyron, mengingat bahwa suhu dan tekanan helium sama dengan indikator atmosfer:
Kami menyatakan massa helium:
Substitusikan nilai yang diketahui:
Mari kita substitusikan nilai yang ditemukan ke dalam rumus umum untuk massa molar:
M==0,027 kg/mol
3.2 Ketidakpastian pengukuran
Saat mengevaluasi hasil, kita dapat memperkirakan kesalahan pengukuran. Kesalahan terjadi dalam pengukuran apa pun, tetapi bagi kami tampaknya saya membuat kesalahan terbesar saat mengukur volume bola.
Temukan kesalahan pengukuran relatif dengan rumus:
Kesalahan pembacaan instrumental dan absolut mutlak:
Kesalahan pengukuran relatif:
27*kg/mol*0,044=
kg/mol27*kg/molkg/mol
*Saya mengulangi percobaan beberapa kali dan mendapatkan hasil yang mendekati yang pertama.Ini menunjukkan bahwa percobaan yang saya usulkan cukup akurat.
4. Kesimpulan: Metode yang saya usulkan nyaman di rumah atau di sekolah, jadi saya percaya itu dapat digunakan di salah satu karya bengkel fisika kelas 10. Untuk versi pekerjaan yang lebih disederhanakan, volume bola dan massa kulit dianggap nilai yang diketahui. Juga disarankan untuk menggunakan katup yang dapat digunakan kembali.
Oleh karena itu, saya mengembangkan manual untuk melakukan pekerjaan bengkel dalam fisika (Lampiran 6).
5. Daftar sumber yang digunakan:
Udara//Simbol, tanda, lambang: Encyclopedia/author-comp.V.E. Bagdasaryan, I.B. Telitsyn; di bawah total. ed. V.L.Teplitsyn.-2nd ed.-
M.: LOKID-PRESS, 2005.-495s.
G.I. Deryabina, G.V. Kantaria. 2.2 Mol, massa molar. Kimia Organik: Tutorial Web.
http://kf.info.urfu.ru/glavnaja/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Molar_mass
https://ru.wikipedia.org/wiki/Air
http://pandia.ru/text/77/373/27738.php
http://ladyretryka.ru/?p=9387
6. Aplikasi:
Lampiran 1
Lampiran 2
Lampiran 3
Lampiran 4
Lampiran 5
Lampiran 6
Udara adalah campuran alami gas, terutama terdiri dari nitrogen dan oksigen. Bobot udara per satuan volume dapat berubah jika proporsi komponen penyusunnya berubah, serta ketika suhu berubah. massa udara dapat ditemukan dengan mengetahui volume yang ditempati, atau jumlah materi (jumlah partikel).
Anda akan perlu
- kerapatan udara, massa molar udara, jumlah udara, volume yang ditempati oleh udara
Petunjuk
Beri tahu kami volume V yang ditempati udara. Kemudian, menurut rumus terkenal m = p * V, di mana - p adalah densitas udara, kita dapat menemukan massa udara dalam volume ini.
Kepadatan udara tergantung pada suhunya. Kepadatan kering udara dihitung melalui persamaan Clapeyron untuk gas ideal menurut rumus: p = P / (R * T), di mana P adalah tekanan absolut, T adalah suhu absolut dalam Kelvin, dan R adalah konstanta spesifik gas untuk kering udara(R = 287.058 J/(kg*K)).
Di permukaan laut pada suhu 0°C, densitas udara sama dengan 1,2920 kg/(m^3).
Jika besaran diketahui udara, maka massanya dapat ditemukan dengan rumus: m \u003d M * V, di mana V adalah jumlah zat dalam mol, dan M adalah massa molar udara. Massa molar relatif rata-rata udara sama dengan 28,98 g/mol. Jadi, dengan menggantinya ke dalam rumus ini, Anda mendapatkan massa udara dalam gram.
Udara adalah kuantitas yang tidak berwujud, tidak mungkin untuk merasakannya, menciumnya, itu ada di mana-mana, tetapi bagi seseorang itu tidak terlihat, tidak mudah untuk mengetahui berapa berat udara, tetapi itu mungkin. Jika permukaan bumi, seperti dalam permainan anak-anak, digambar menjadi kotak-kotak kecil berukuran 1x1 cm, maka berat masing-masingnya akan menjadi 1 kg, yaitu 1 cm 2 atmosfer mengandung 1 kg udara .
Bisakah itu dibuktikan? Lumayan. Jika Anda membuat timbangan dari pensil biasa dan dua balon, dengan memasang struktur pada seutas benang, pensil akan seimbang, karena berat kedua balon yang digelembungkan adalah sama. Patut ditusuk salah satu bolanya, keuntungannya akan ke arah bola yang menggelembung, karena udara dari bola yang rusak sudah keluar. Dengan demikian, pengalaman fisik sederhana membuktikan bahwa udara memiliki berat tertentu. Tetapi, jika kita menimbang udara di permukaan yang datar dan di pegunungan, maka massanya akan berbeda - udara pegunungan jauh lebih ringan daripada yang kita hirup di dekat laut. Ada beberapa alasan untuk bobot yang berbeda:
Berat 1 m 3 udara adalah 1,29 kg.
- semakin tinggi udara naik, semakin jarang, yaitu, tinggi di pegunungan, tekanan udara tidak akan 1 kg per cm 2, tetapi setengahnya, tetapi kandungan oksigen yang diperlukan untuk bernafas juga berkurang tepat setengahnya , yang dapat menyebabkan pusing, mual dan sakit telinga;
- kandungan air di udara.
Komposisi campuran udara meliputi:
1. Nitrogen - 75,5%;
2. Oksigen - 23,15%;
3. Argon - 1,292%;
4. Karbon dioksida - 0,046%;
5. Neon - 0,0014%;
6. Metana - 0,000084%;
7. Helium - 0,000073%;
8. Kripton - 0,003%;
9. Hidrogen - 0,00008%;
10. Xenon - 0,00004%.
Jumlah bahan dalam komposisi udara dapat berubah dan, oleh karena itu, massa udara juga mengalami perubahan ke arah kenaikan atau penurunan.
- Udara selalu mengandung uap air. Pola fisiknya sedemikian rupa sehingga semakin tinggi suhu udara, semakin banyak air yang dikandungnya. Indikator ini disebut kelembaban udara dan mempengaruhi beratnya.
Bagaimana berat udara diukur? Ada beberapa indikator yang menentukan massanya.
Berapa berat kubus udara?
Pada suhu sama dengan 0 ° Celcius, berat 1 m 3 udara adalah 1,29 kg. Artinya, jika Anda secara mental mengalokasikan ruang di sebuah ruangan dengan tinggi, lebar, dan panjang sama dengan 1 m, maka kubus udara ini akan berisi jumlah udara yang tepat.
Jika udara memiliki berat dan berat yang cukup teraba, mengapa seseorang tidak merasakan berat? Fenomena fisik seperti tekanan atmosfer menyiratkan bahwa kolom udara seberat 250 kg menekan setiap penghuni planet ini. Luas telapak tangan orang dewasa rata-rata adalah 77 cm 2. Artinya, sesuai dengan hukum fisika, masing-masing dari kita memegang 77 kg udara di telapak tangan kita! Ini setara dengan fakta bahwa kita terus-menerus membawa beban 5 pon di masing-masing tangan. Dalam kehidupan nyata, bahkan seorang atlet angkat besi tidak dapat melakukan ini, namun, kita masing-masing dapat dengan mudah mengatasi beban seperti itu, karena tekanan atmosfer menekan dari kedua sisi, baik di luar tubuh manusia maupun dari dalam, yaitu, perbedaannya pada akhirnya sama. ke nol.
Sifat-sifat udara sedemikian rupa sehingga mempengaruhi tubuh manusia dengan cara yang berbeda. Tinggi di pegunungan, karena kekurangan oksigen, halusinasi visual terjadi pada orang-orang, dan pada kedalaman yang sangat dalam, kombinasi oksigen dan nitrogen menjadi campuran khusus - "gas tertawa" dapat menciptakan perasaan euforia dan perasaan tidak berbobot.
Mengetahui besaran-besaran fisik ini, adalah mungkin untuk menghitung massa atmosfer Bumi - jumlah udara yang tertahan di ruang dekat Bumi oleh gravitasi. Batas atas atmosfer berakhir pada ketinggian 118 km, yaitu, mengetahui berat m 3 udara, Anda dapat membagi seluruh permukaan yang dipinjam menjadi kolom udara, dengan alas 1x1m, dan menjumlahkan massa yang dihasilkan dari kolom seperti itu. Pada akhirnya, itu akan sama dengan 5,3 * 10 hingga derajat kelima belas ton. Berat pelindung udara planet ini cukup besar, tetapi bahkan hanya sepersejuta dari total massa dunia. Atmosfer bumi berfungsi sebagai semacam penyangga yang menjaga bumi dari kejutan kosmik yang tidak menyenangkan. Dari badai matahari saja yang mencapai permukaan planet, atmosfer kehilangan massanya hingga 100 ribu ton per tahun! Perisai yang tak terlihat dan andal seperti itu adalah udara.
Berapa berat satu liter udara?
Seseorang tidak menyadari bahwa dia terus-menerus dikelilingi oleh udara yang transparan dan hampir tidak terlihat. Apakah mungkin untuk melihat elemen atmosfer yang tidak berwujud ini? Jelas, pergerakan massa udara disiarkan setiap hari di layar televisi - bagian depan yang hangat atau dingin membawa pemanasan yang telah lama ditunggu-tunggu atau hujan salju lebat.
Apa lagi yang kita ketahui tentang udara? Mungkin, fakta bahwa itu sangat penting bagi semua makhluk hidup yang hidup di planet ini. Setiap hari seseorang menghirup dan menghembuskan sekitar 20 kg udara, seperempatnya dikonsumsi oleh otak.
Berat udara dapat diukur dalam jumlah fisik yang berbeda, termasuk liter. Berat satu liter udara akan sama dengan 1,2930 gram, pada tekanan 760 mm Hg. kolom dan suhu 0°C. Selain keadaan gas biasa, udara juga dapat terjadi dalam bentuk cair. Untuk transisi suatu zat ke keadaan agregasi ini, dampak dari tekanan yang sangat besar dan suhu yang sangat rendah akan diperlukan. Para astronom menyarankan bahwa ada planet yang permukaannya benar-benar tertutup udara cair.
Sumber oksigen yang diperlukan untuk keberadaan manusia adalah hutan Amazon, yang menghasilkan hingga 20% elemen penting ini di seluruh planet.
Hutan benar-benar paru-paru "hijau" planet ini, yang tanpanya keberadaan manusia tidak mungkin ada. Oleh karena itu, tanaman dalam ruangan yang hidup di apartemen bukan hanya barang interior, mereka memurnikan udara di dalam ruangan, yang polusinya sepuluh kali lebih tinggi daripada di jalan.
Udara bersih telah lama menjadi kekurangan di kota-kota besar, polusi atmosfer begitu besar sehingga orang siap membeli udara bersih. Untuk pertama kalinya, "penjual udara" muncul di Jepang. Mereka memproduksi dan menjual udara bersih dalam kaleng, dan setiap penduduk Tokyo dapat membuka sekaleng udara bersih untuk makan malam dan menikmati aroma segarnya.
Kemurnian udara memiliki dampak signifikan tidak hanya pada kesehatan manusia, tetapi juga pada hewan. Di daerah perairan khatulistiwa yang tercemar, dekat daerah berpenduduk, puluhan lumba-lumba mati. Alasan kematian mamalia adalah atmosfer yang tercemar; dalam otopsi hewan, paru-paru lumba-lumba menyerupai paru-paru penambang yang tersumbat oleh debu batu bara. Penduduk Antartika juga sangat sensitif terhadap polusi udara - penguin, jika udara mengandung sejumlah besar kotoran berbahaya, mereka mulai bernapas dengan berat dan sebentar-sebentar.
Bagi seseorang, kebersihan udara juga sangat penting, jadi setelah bekerja di kantor, dokter menyarankan untuk jalan-jalan satu jam setiap hari di taman, hutan, dan di luar kota. Setelah terapi "udara" seperti itu, vitalitas tubuh dipulihkan dan kesejahteraan meningkat secara signifikan. Resep pengobatan gratis dan efektif ini telah dikenal sejak zaman kuno; banyak ilmuwan dan penguasa menganggap jalan-jalan setiap hari di udara segar sebagai ritual wajib.
Untuk penghuni perkotaan modern, perawatan udara sangat relevan: sebagian kecil dari udara yang memberi kehidupan, yang beratnya 1-2 kg, adalah obat mujarab untuk banyak penyakit modern!
