Übungen zur Physikalische Chemie I, SS 2010 1. Übungsblatt 7. März 2010-03-05 Abgabe: Dienstag 09. März per e-mail an die Betreuer (hubert.fasl@uni-g­raz.at, johannes.hofer@rcp­e.at, ge
Problemstellung:
Untersuchungen
zur praktischen Umsetzung der Stöchiometrischen Gesetze
Mittels der Reduktion eines Kupferoxids (CuxO) zu Kupfer (Versuch 1)
soll das Gesetz der konstanten Proportionen geprüft werden, durch die
thermische Zersetzung von Kupfersulfat – Pentahydrat (CuSO4*5H2O)
(Versuch 2), das Gesetz der multiplen Proportionen.
Untersucht wurde, ob die Ergebnisse
der aus der Reaktionsgleichung theoretisch resultierenden Massenverhältnisse
übereinstimmen und ob es sich dabei um ganzzahlige Mengenverhältnisse handelt.
Experimentelles:
Versuch 1: Bestimmung
der Summenformel eines Kupferoxids (CuxO) Kupfer bildet 2 Oxide,
Kupfer(I)oxid und Kupfer(II)oxid.
Es soll anhand der Reaktionsgleichung
(Reduktion von Kupferoxid mittels Propangas) festgestellt werden, welches der
beiden Oxide für die Reaktion verwendet wurde. Eine
bestimmte Menge an Kupferoxid (Einwaage) wurde in eine Quarzeprouvette
eingewogen und imoberen
Drittel der Flamme so lange erhitzt, bis die Reduktion des Kupferoxids (CuxO)
zu metallischem Kupfer (Cu) ,erkennbar durch die Rotfärbung der ursprünglich
schwarzen Substanz erfolgt ist.
Ist dies eingetreten (Dauer ca. 35 Min.), wird
die Eprouvette (nach Abkühlung) erneut gewogen und aus der Massendifferenz ( Dm) die stöchiometrische Zusammensetzung
von CuxO ermittelt.
10
CuxO + C3H8® 3CO2 + 4 H2O + 10x Cu (RG.1)
Tabelle
1:
Messwerte und Ergebnisse Versuch
1
Berechnungen: Anzahl
der Mole: n = m/M
(Gl.1)
Stöchiometrische Formel für (CuxO): x = n(Cu)/n(O) (Gl.2)
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Nach dem Abkühlen wird der Tiegel erneut gewogen und aus
der Massendifferenz die Stöchiometrie der Produkte erhoben. Die Farbe des
Zersetzungsprodukts wird notiert. Eine geringe Menge der Substanz wird in eine
Eprouvette gefüllt, wo der Substanz tröpfchenweise Wasser beigefügt wird, und
die Vorgänge beobachtet werden. CuSo4*5H2O ® CuSo4*xH2O
+ yH2O (RG.2)
x=
n(Dm)/n(CuSo4*5H2O)
(Gl.3)
Tabelle
2:
Messwerte und Ergebnisse Versuch
2
Aus
den ermittelten Daten ergeben sich folgende
Reaktionsgleichungen: Erhitzung
bei 400°C = CuSo4*5H2O ®
CuSo4 + 5H2O
(RG.3) Erhitzung
bei 180°C = CuSo4*5H2O ®
CuSo4*H2O + 4H2 (RG.4)
.) Farbe des Rückstandes nach Erhitzung bei 400°C = hellblau – grau bis
weißlich .) Reaktion nach
tröpfchenweiser Zugabe von H2O: Substanz erhält wieder die
Ursprungsfarbe (blitzblau) und Eprouvette erwärmt sich.
Diskussion/Fehleranalyse:
Versuch 1: Nach
Ende der Reaktion hat die Masse abgenommen.
Aus der Massendifferenz (die der
Menge des abgespaltenen Sauerstoffes entspricht) wurde die Zusammensetzung des
Kupferoxids ermittelt (Gl.1), (Gl.2). Die Berechnungen ergaben für x in CuxO
einen Wert von x=1, was bedeutet, dass CuO (Kupfer(I)oxid) vorliegt. Der Wert
bestätigt das Gesetz der konstanten Proportionen mit einem relativen Messfehler
von 0%.
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Versuch
2: Auch in diesem Versuch
hat die Menge nach der Reaktion abgenommen. Durch die Massendifferenz
(entspricht der Menge an abgespaltenem /verdampften Wasser) konnten die
Reaktionsgleichungen für die unterschiedlichen Erhitzungstemperaturen ermittelt
werden.
Dies geschah durch die Berechnung der Mole (Gl.1) von CuSo4*5H2O
und H2O und der anschließenden Berechnung der Formel-zusammensetzung
(Glg.3). Auffallend ist, dass bei der Probe, die bei 180°C erhitz wurde, noch
ein Mol H2O (Kristallwasser) am Sulfat – Ion dranhängt (RG.4).
Dies
ist darauf zurückzuführen, dass ein H2O – Molekül durch eine
Wasserstoffbrückenbindung am Sulfat – Ion hängt und sich nur erschwert
abspalten lässt. Das Ergebnis bestätigt sich auch durch die Analyse der Farbe
der Zersetzungssubstanz. So ist diese, die bei 400°C erhitz wurde fast farblos
(ohne Kristallwasser), während die Substanz, die bei 180°C erhitz wurde eine
türkisblaue Farbe aufweist (hat noch Kristallwasser).Weiters ist der Vorgang reversibel
und die Substanz wasseranziehend (hygroskopisch), was sich dadurch bestätigt,
dass nach tröpfchenweiser Zugabe von Wasser zur Zersetzungssubstanz eine
Temperaturerhöhung stattfindet und sich die Ursprungsfarbe wieder einstellt.
Der relative Fehler von 1,2 % (bei 400°C) könnte daraus resultieren, dass neben
dem Kristallwasser auch oberflächlich resorbiertes Wasser (Luftfeuchtigkeit)
verloren ging.
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