GÖTEBORGS UNIVERSITET INSTITUTIONEN FÖR KEMI Fysikalisk kemi KEM040 Laboration i fysikalisk kemi Clausius-Clapeyronekvationen Bestämning av ångtryck och ångbildningsentalpi för en ren vätska (Lab2) ifylls med bläck av den studerande och sammanfogas med gruppens laborationsrapport Gruppnr Laborationen utförd, Datum Namn Personnummer ifylls av assistenten med bläck, ett ex för varje gruppmedlem Laborationen godkänd, Datum Assistentens namnteckning Detta kvitto skall sparas tills du ser att laborationen är godkänd på studieresultatsutdraget *** Version: 2010-12-06
2
3 Intermolekylära krafters inverkan på ångbildningsentalpi och entropi Vad är målet med denna laboration? Kokpunkten för en vätska ökar normalt när den intermolekylära växelverkan ökar: ju starkare bindningarna är mellan molekylerna desto svårare är det att frigöra dem från vätskan. Denna bild är dock alltför enkel, kokpunkten påverkas också av hur mycket frihet (entropi) som molekylerna tjänar på att förångas. I laborationen mäter du därför både ångbildningsentalpi ΔH (de intermolekylära krafterna) och ångbildningsentropin ΔS (molekylernas frihet) för två vätskor, etylacetat och etanol. Målet är att du skall förstå hur kokpunkten bestäms av dessa två storheter tillsammans. Teoretisk bakgrund För en ren vätska i kontakt med sin egen ånga gäller följande relation mellan ångtrycket, p, och den absoluta temperaturen, T, d(ln p) = ΔH dt RT 2 (1) ΔH är vätskans ångbildningsentalpi. Vid härledningen av (1) bygger man på Clapeyrons ekvation, dp dt = ΔS ΔV (2) som är generellt giltig för alla slags enkla fasomvandlingar. ΔS är ångbildningsentropin och ΔV är volymändringen vid förångning. Under förutsättning att ångtrycket är jämförelsevis lågt kan den ideala gaslagen utnyttjas samt volymen för vätskan försummas i jämförelse med volymen för ångan, vilket leder till ΔV = RT (3) p Vidare gäller att ΔG = ΔH TΔS = 0 (4) vid jämvikt. Införes sambanden (3) och (4) i (2) erhålles (1), vilket kan verifieras. Man kan ofta antaga att ΔH är oberoende av temperaturen, åtminstone inom begränsade temperaturintervall. För detta viktiga fall erhålles genom integration av (1) Clasius-Clapeyronekvationen, ln p = ΔH 1 R T + C (5) Logaritmen för ångtrycket beror alltså linjärt av 1/T. Ekvation (5) ger en bekväm möjlighet till bestämning av en vätskas ångbildningsentalpi. Samhöriga mätvärden för p och T prickas av i ett diagram med ln p som ordinata och 1/T som abscissa. Den bästa räta linjen passas till mätpunkterna. Dess lutning är enligt (5) -ΔH/R. Hur du bestämmer T b, ΔH och ΔS Linjen l/g mellan vätske- och gas-faserna i fasdiagrammet kallas ångtryckskurvan. Längs denna linje finns en frihetsgrad, vilket betyder att temperatur och ångtryck är beroende av varandra i en jämvikt: om vi ändrar trycket får vi en motsvarande ändring i kokpunkten, och tvärtom.
4 Genom att bestämma sammanhörande värden för jämvikstryck och jämviktstemperatur kan vi med (2) finna ΔH och T b (normalkokpunkten vid 1 atm) och därmed även ΔS. De samhörande jämvikts-värdena på kokpunkt och ångtryck kan fås antingen genom att man ändrar temperaturen och mäter det resulterande ångtrycket, eller genom att man ändrar trycket och mäter vilken temperatur som råder då jämvikten ställt in sig. I denna laboration kommer vi att styra temperaturen. Du skall undersöka två ämnen, etylacetat och etanol. Bestäm samhörande T- och p- värden för ett av ämnena och byt sedan till det andra. INNAN NI BÖRJAR EXPERIMENTEN SKA NI GÖRA ER BEKANTA MED UPPSTÄLLNINGENS FUNKTION, HUR NI BESTÄMMER TRYCKET I SYSTEMET OCH HUR TEMPERATUREN VARIERAS. Metod Börja med att bygga er apparatur enl. Figur 1. Till de tre halsarna i rundkolven ska ni koppla; Tryckmätare, mäter skillnaden i tryck utom och inom systemet Termometer, temperaturen reglerar ni genom en spänningsregulatorn (ej visad) kopplad till värmemanteln. (max 180 V). Avluftningskran med slang, slangen är till för att kondensera ångorna när de lämnar systemet. Samla upp kondensatet i en bägare. Använd vakuumfett och tillse så att fettet fördelas över kopplingsytorna så att systemet blir tätt eventuellt läckage kommer att påverka era resultat avsevärt. Använd ett stativ med klämma för att hålla rundkolven på plats i värmemanteln. Mät upp 50 ml av etanol eller etylacetat och häll över i er rundkolv. Öppna kranen och slå på värmaren (värmemanteln på max, spänningsregulatorn ej över 180 V). Tillse att eventuellt kondensat samlas upp i en bägare. När vätskan når kokpunkten (75-79 C), reglera ned spänningsaggregatet till ~ 40-60 V och stäng kranen. Ett övertryck (negativa värden på tryckmätaren) kommer nu att skapas i kolven, reglera detta genom att släppa ut ånga. När övertrycket slutar stiga och temperaturen börjar att sjunka, stäng kranen helt. Reglera värmetillförseln m.h.a. spänningsregulatorn så att temperaturen sjunker med ~ 0,5 C/min - om temperaturen sjunker för snabbt så kommer inte systemet att vara i jämvikt, och era mätvärden blir missvisande. Samla ca 10 mätpunkter med tryck och temperatur för varje ämne. Gällande atmosfärstryck uppmäts (handledaren visar). Tryckmätaren mäter skillnaden mellan atmosfärstryck och systemets tryck. Trycket i systemet fås ur: p = p atm p uppmätt Vad ska ni göra med experimentella data? Gör en tabell med enligt följande mall: T ( C) p (bar) ln p 1/T (K -1 ) I ett diagram (mm-papper) tecknas (T, p)-värden för etanol och etylacetat så räta linjer kan förväntas (ekvation (5)). Använd brutna axlar och utnyttja hela pappret för era värden.
5 Bestäm T b, ΔH och ΔS från graferna (ej med linjär regression). Jämför era mätdata med litteraturvärden och visa handledare. Vad säger era resultat om krafterna mellan molekylerna i etanol och i etylacetat? Verkar sambandet mellan T b och ΔH rimligt? Att redovisa: Era resultat för T b / C, ΔH och ΔS. Förklara skillnaden i T b, ΔH och ΔS mellan etanol och etylacetat och kommentera hur Troutons regel stämmer med respektive molekyl och varför. Figur 1 Apparatur. Använd stativ med klämma för att hålla rundkolven på plats i värmemanteln.