Съдържание

Условие Оборудование Колба Бунзена (объем колбы, заткнутой пробкой, считать равным

V_0 = (300 \pm 5)

мл); манометр; соединительная трубка; шприц 2 мл; силиконовая пробка, проткнутая иглой; соль (не

NaCl

); раствор кислоты; весы; ложечка; промывалка; лист бумаги А4; ведро.Задание Часть 1. Когда соль в избытке...Часть 2. Когда кислота в избытке...Часть 3. Отрицательная масса.Отговори Решение

IEPhO 2017, Експеримент, 10. клас — Задача 3. Шипучка

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от IEPhO 2017

5th International Experimental Physics Olympiad — 2017. Второй тур. 10 класс. Шипучка

Внимание: Бележка към темата

Формулы и числа переданы по оригиналу. В решении напечатана масса соли (0.11 ± 0.1) г; эта погрешность не согласуется с относительной погрешностью приведённой молярной массы (82 ± 8) г/моль. В формулах (1)–(2) обозначение V используется без отдельного уточнения, хотя в условии объём колбы назван V₀, а V — объём добавленного раствора. Сохранены напечатанные «он покрыл» о соли и «малое количества». В решении напечатано «высыпать соль»; прежнее указание «высыпать соли» было ошибочным. Результаты относятся к приведённым измерениям.

Условие

В этой задаче нужно оценивать погрешности!

Оборудование Колба Бунзена (объем колбы, заткнутой пробкой, считать равным $V_0 = (300 \pm 5)$ мл); манометр; соединительная трубка; шприц 2 мл; силиконовая пробка, проткнутая иглой; соль (не $NaCl$ ); раствор кислоты; весы; ложечка; промывалка; лист бумаги А4; ведро.

Температуру воздуха можно узнать у отвественного по аудитории.

Внимание! Запрещается вытаскивать иглы из пробок и пробовать кислоту или соль на вкус!

Примечание. 1 мм.рт.ст. $\simeq 133.3$ Па

Задание

В данной задаче Вами будет изучена химическая реакция, в которой будет взаимодействовать кислота с солью (см. Рис.1). Реакция будет происходить с выделением газа. Мольные соотношения всех компонент реакции — 1:1.

Схема реакции: две овальные фигуры «Кислота» и «Соль» соединены знаком плюс и ведут через знак равенства к трём овалам «Новая соль», «Газ», «Вода», соединённым знаками плюс. — Рис. 1. Вид изучаемой реакции

Часть 1. Когда соль в избытке...

Насыпьте в колбу Бунзена соль так, чтобы он покрыл практически все дно колбы равномерным слоем. Подсоедините через трубку манометр к отходному каналу колбы. Наберите в шприц раствор кислоты. Заткните пробкой колбу с усилием, вставьте в иголку шприц.

1 Снимите зависимость избыточного давления $\Delta P$ в колбе от объема $V$ добавленного в колбу раствора кислоты.

2 Постройте график исследуемой зависимости.

3 Определите концентрацию $n$ кислоты в единицах моль/л.

Часть 2. Когда кислота в избытке...

1 Помойте колбу. Поместите в колбу малое количества соли (не более чем 0.12 г), предварительно измерив его массу.

2 Проведите измерения аналогичные Части 1, взбалтывая колбу после добавления каждой порции раствора.

3 Используя полученные данные, определите молярную массу соли.

Часть 3. Отрицательная масса.

Снимите с колбы манометр и пробку. Добавьте в колбу примерно 50 мл раствора кислоты. Взвесьте колбу. Добавьте в колбу некоторое количество соли, предварительно взвесив её. Поболтайте колбу, добившись того, чтобы реакция полностью завершилась (все пузырьки поднялись наверх). Взвесьте колбу. Добавьте в колбу следующую порцию соли и т.д.

1 Снимите зависимость изменения массы колбы от массы засыпанной соли.

2 Постройте график исследуемой зависимости.

3 Используя полученные данные, определите молярную массу выделяемого в реакции газа.

Отговори

Решение

Часть 1. Когда соль в избытке...

Соберём установку, как написано в условии. Снимем зависимость $\Delta P$ от $V$ . Результаты измерений представлены ниже.

$V$ , мл	$\Delta P$ , мм.рт.ст.
0	0
0.2	18
0.4	32
0.6	51
0.8	67
1	82
1.2	95
1.4	112
1.6	126
1.8	139
2	158

Построим график полученной зависимости и посчитаем его угловой коэффициент $A = (76 \pm 1)$ мм.рт.ст./мл.

Линейный график зависимости избыточного давления (мм.рт.ст., 0-180) от объема добавленного раствора кислоты (мл, 0-2.2) с прямой линией тренда через экспериментальные точки. — График зависимости $\Delta P$ от $V$ в случае, когда соль в избытке

Изменение давления связано с выделением в ходе реакции газа, количество которого совпадает с количеством добавленной чистой кислоты. Таким образом, связь между угловым коэффициентом графика и молярной концентрацией кислоты в растворе можно выразить как:

AV = nRT,

откуда

n = \frac{AV}{RT} = (1.25 \pm 0.04)\ \text{моль/л} \qquad (1)

Часть 2. Когда кислота в избытке...

Поместим в колбу $m_c = (0.11 \pm 0.1)$ г соли. Для этого из выданного листа А4 скрутим маленький конус, с помощью которого будем высыпать соль на весы и в колбу.
Проведем измерения избыточного давления в колбе от объема добавленного раствора кислоты. Результаты представлены ниже.

$V$ , мл	$\Delta P$ , мм.рт.ст.
0	0
0.2	15
0.4	32
0.6	50
0.8	66
1	80
1.2	84
1.4	86
1.6	88
1.8	89
2	90

Построим график полученной зависимости.

График зависимости избыточного давления (мм.рт.ст., 0-100) от объема добавленного раствора кислоты (мл, 0-2.2), выходящий на плато при больших объемах. — График зависимости $\Delta P$ от $V$ в случае, когда кислота в избытке

На графике видно, что при больших объёмах кислоты разность давлений перестаёт измеяться в пределах погрешности манометра ( $\sigma_{\Delta P} = 2$ мм.рт.ст.). С физической точки зрения это значит, что вся масса добавленной в колбу соли прореагировала с кислотой. Следовательно, количество выделившегося газа определяется лишь количеством соли. Количество газа легко определить по установившемуся давлению $P_{\text{уст}} = (89 \pm 2)$ мм.рт.ст.. Дальнейшее вычисление молярной массы соли не представляет больших проблем:

\mu_c = \frac{m_c RT}{P_{\text{уст}} V} = (82 \pm 8)\ \text{г/моль} \qquad (2)

Часть 3. Отрицательная масса.

Проведем описанные в условии измерения.

$\Delta m_c$ , г	$m_{\text{к}}$ , г	$m_c$ , г	$\Delta m_{\text{к}}$ , г
0	248.95	0	0
1	249.58	1	0.63
1	250.07	2	1.12
1.39	250.78	3.39	1.83
0.98	251.27	4.37	2.32
1.2	251.84	5.57	2.89
1.43	252.56	7	3.61
1.25	253.12	8.25	4.17

Построим график зависимости изменения массы колбы от массы добавленной соли (приведен ниже).

Линейный график зависимости изменения массы колбы (г, 0-4) от массы засыпанной соли (г, 0-8) с прямой линией тренда через экспериментальные точки. — График зависимости $\Delta m_{\text{к}}$ от $m_c$

Найдем угловой коэффициент графика:

B = (0.50 \pm 0.01) \qquad (3)

Из полученного углового коэффициента и равенства количеств добавленной соли и газа легко оценить молярную массу газа:

\mu_{\text{г}} = \mu_c(1-B) = (41 \pm 5)\ \text{г/моль} \qquad (4)

Оригинал в Архива: 10_3_2017_problem.pdf · официални решения: 10_3_2017_sol.pdf