Chemia Organiczna OnLine

Oznaczanie masy cząsteczkowej metodą Meyera

Pomiar masy cząsteczkowej metodą Meyera wykonuje się w aparacie przedstawionym na poniższym rysunku:

Szklaną ampułkę z dokładnie odważoną ilością badanej substancji umieszcza się w kolbie, która uprzednio została ogrzana w termostacie do temperatury wyższej niż temp. wrzenia tej substancji. Pod wpływem wzrostu ciśnienia ampułka pęka (czasami trzeba ją stłuc). Substancja przechodzi w stan pary, wypierając równoważną objętość powietrza, które zbierane jest w naczyniu pomiarowym. Zebrane powietrze zajmuje taką objętość, jaką zajmowała by badana substancja gdyby mogła być gazem w temp. otoczenia (pomiaru objętości powietrza dokonuje się już w temperaturze otoczenia). Wystarczy zmierzyć ciśnienie zebranego panujące w naczyniu (a jest ono równe ciśnieniu zewnętrznemu) by móc obliczyć masę cząsteczkową badanego związku ze wzoru (3).

Bezpośrednie wyniki z pomiarów P, V i T można wprowadzić do wzoru (3) jeżeli powietrze zbierane jest nad rtęcią. Jednak ze względu na jej trujące właściwości, zamiast rtęci używa się wody. W tedy w naczyniu pomiarowym znajduje się powietrze oraz nieznaczna ilość pary wodnej, którą należy uwzględnić w obliczeniach. Wykorzystuje się tutaj prawo ciśnień cząstkowych Daltona, według którego całkowite ciśnienie gazu jest równe sumie ciśnień cząstkowych. P=p₁+p₂+p₃+^...p_n. Ciśnienie cząstkowe jest to ciśnienie jakie wywierał by dany gaz gdyby sam znajdował się w naczyniu. Z tego wynika, że ciśnienie panujące w naczyniu pomiarowym P=p_p+p_w. Ciśnienie powietrza w tym naczyniu równe jest ciśnieniu zewnętrznemu pomniejszonemu o ciśnienie cząstkowe wody, czyli pomniejszone o prężność wody w temperaturze pomiaru p_p=P-p_w. Tę obliczoną wartość należy podstawić do równania (3). Prężność pary wodnej w określonej temperaturze odczytuje się z tablic.

Zadanie 1

0,0532g nieznanego związku X o składzie 92,3% C; 7,7% H, po przeprowadzeniu w stan pary wypiera 17,4cm³ powietrza mierzonego w temperaturze 298K i pod ciśnieniem 1003hPa. Jaki jest wzór cząsteczkowy nieznanego związku X. Prężność pary wodnej w temperaturze 298K wynosi 31,68hPa.

dane:

T=298K
m=0,0532g C: 92,3%, H: 7,7%
V=17,4cm³=17,4^.10^-6m³
P=1003hPa=100300Pa;   p_w=31,68hPa=3168Pa
p_p=100300Pa - 3168Pa = 97132Pa
R=8,314J/(mol K)

Rozwiązanie:

W tego typu zadaniach, jeżeli tylko jest możliwość wcześniejszego wyznaczenia masy cząsteczkowej, należy to uczynić. Jednakże pierwszym krokiem jest zawsze zebranie danych i doprowadzenie ich do wspólnego miana. Korzystając z wyprowadzonego wcześniej równania i podstawiając do niego podane dane otrzymujemy:M=77,98g/mol
Znając masę cząsteczkową i skład procentowy związku, łatwo policzyć udziały wagowe poszczególnych pierwiastków w jednym molu związku. Masę węgla zawartą w jednym molu związku można obliczyć ze wzoru: c%=100%^.m_c/M(po przekształceniu względem m_c), lub z proporcji . W podobny sposób obliczmy masę wodoru zawartą w 77,98g związku. Po obliczeniu otrzymamy: m_c=71,98g, m_H=6g. Obliczone masy węgla i wodoru zamieniamy na ilości moli węgla i wodoru: n_C=m_C/12, n_H=m_H/1. Po wykonaniu podanych obliczeń otrzymujemy: n_c=6, n_H=6, czyli w jednym molu związku X (77,98g) znajduje się 6 moli węgla i 6 moli wodoru.

Odp.: Wzór sumaryczny związku X to C₆H₆

Wszyscy doskonale wiem, że metale i gazy szlachetne występują w postaci atomowej, natomiast niemetale w postaci cząsteczkowej. Dlatego gdy mówimy o azocie, tlenie, czy fluorowcach, pierwiastki te zapisujemy zawsze w postaci N2, O2, F2, Cl2, Br2 czy I2, ale co z innymi pierwiastkami, takimi jak fosfor, siarka, arsen i wiele innych. Pierwiastki te zapisuje się w postaci atomowej: P, S, As itd., ale czy to oznacza, że one w takiej postaci występują? Przecież są to niemetale. Dlaczego nie zapisuje się ich w postaci S2, P2 itd. Najprostsza, a jednocześnie prawidłowa, odpowiedź jaka się nasuwa to stwierdzenie, że pierwiastki te w takiej postaci nie występują. Z uwagi na to, że są to niemetale, nie występują również w postaci atomowej. W jakiej postaci występują te pierwiastki? Odpowiedź można uzyskać rozwiązując kolejne zadania.

Zadanie2

Gęstość par siarki w różnych temperaturach wynosi:

Podaj prawidłowe wzory cząsteczki siarki w podanych warunkach.

Gęstość par siarki 3,29g/dm³ oznacza, że 3,29g siarki zajmuje objętość 1dm³. Można zapisać następujące dane do zadania:

dane:

Mamy T, P, V, a więc skorzystamy z równania stanu gazu doskonałego (równanie Clapeyrona) PV=nRT (PV=m/M^.RT). Po przekształceniu względem M otrzymujemy wzór: . Podstawiając kolejno dane do tego wzoru obliczamy M w różnych temperaturach:

Aby odpowiedzieć na pytanie ile atomów siarki wchodzi w skład cząsteczki siarki należy obliczone masy cząsteczkowe siarki podzielić przez jej masę atomową, czyli przez 32g/mol.

Odp.: W temperaturze 870K siarka występuje w postaci cząsteczek ośmioatomowych S₈ (w temperaturze pokojowej również w takiej postaci), natomiast w temperaturze 1170K w postaci cząsteczek dwuatomowych S₂.

Zadanie3

Pary arsenu reagują z wodorem w stosunku objętościowym 1:6. Jaka liczba atomów arsenu wchodzi w skład cząsteczki arsenu, wiedząc że produktem reakcji jest arsenowodór AsH₃.

Rozwiązanie:

Z prawa Avogadro wiemy, że w jednakowych warunkach T, P i V wszystkie gazy zawierają jednakową liczbę cząsteczek. Czyli w 6 objętościach wodoru jest 6 razy więcej moli wodoru niż w 1 objętości par arsenu. Można również powiedzieć, że 1 mol arsenu reaguje z 6 molami wodoru dając arsenowodór. Zapiszmy to ostatnie zdanie w postaci równania reakcji:

Aby spełnione było prawo zachowania masy x musi być równe 4, x=4.

Odp.: Arsen występuje w postaci cząsteczek czteroatomowych As₄.