TP 9 : Gaz et Liquides 1. Résumé 2. Introduction 3.1 Travailler le verre Couper un tube ou un bâton de verre : A l aide d un couteau spécial, nous pouvons scier les tubes en verre. La technique consiste à entailler légèrement le verre, de mouiller le sillon avec le pouce, puis de tirer doucement chaque côté en inclinant légèrement vers le bas. Ensuite, arrondir les extrémités tranchantes en les passant sous la flamme d un bec Bunsen. S entraîner avec les bâtons en verre, puis préparer ainsi 4 tubes de verre fin de 10-15 cm de long chacun, 2 tubes de verre large de 25 cm chacun. Tirer des pipettes et des capillaires: Chauffer un tube fin au milieu et tirer les deux bouts lorsque le verre devient chaud et commence à fondre. Selon la rapidité de l opération on peut tirer des pipettes ou des capillaires plus ou moins longs et de diamètres différents. En coupant au milieu on obtient deux pipettes pasteurs. Répéter l opération afin d avoir des pipettes dont les pointes diffèrent en diamètre et en longueur. Si l on tire vraiment très rapidement, il se crée un tube très très fin au milieu qui peut atteidre facilement 50 cm. Le couper en plusieurs parties en créer ainsi des capillaires de différents diamètres. Courber les tubes en verre : Chauffer un tube de verre épais sur une longueur de 2-3 cm et essayer d amorcer un légère courbure. Continuer de la sorte afin d avoir un tube en U. L opération doit se faire délicatement au risque de déformer le tube. 3.2 Détermination de la masse volumique Pesage d un volume donné Remplir un bécher de 600 ml avec de l eau déminéralisée et laisser tempérer. Relever la température à l aide d un thermomètre. Prendre plusieurs ballons jaugés de 100 ml et les peser précisément à vide. Les remplir avec l eau tempérée et relever le nouveau poids. Essayer d avoir 5 mesures afin de calculer la masse volumique moyenne de l eau. Calculer la masse volumique avec la formule : - 1 -
Mesurer la masse volumique de la glycérine de la même façon. Utiliser des ballons jaugés de 20 ml. eau eau 19 C volume du ballon = 100mL n ballon 100 ml vide (g) ballon 100 ml plien (g) piod eau (g) masse volumioque (g/ml) 1 84.77 184.32 99.55 0.996 2 53.47 153.02 99.55 0.996 3 52.06 151.66 99.60 0.996 4 53.25 152.92 99.67 0.997 5 84.74 184.33 99.59 0.996 moyenne 0.996 ecart type 0.000492 CV 0.000494 % 0.05 glycérine glycérine 19 C volume du balon ml = 20 ml n ballon 100 ml vide (g) ballon 100 ml plien (g) piod glycérine (g) masse volumique (g/ml) 1 22.21 46.79 24.58 1.23 2 28.26 52.55 24.29 1.21 3 21.85 46.36 24.51 1.23 4 22.19 46.61 24.42 1.22 5 28.25 52.63 24.38 1.22 moyenne 1.22 ecart type 0.00564 CV 0.00462 % 0.46 Les valeurs théoriques à 20 C et 1 atm. sont : pour l eau 0.998 (g/ml) pour la glycérine 1.260 (g/ml) Nous sommes proche de ses résultats ceci n est pas une surprise car nous avons travailler dans des condition similaire : 19 C et 0.97 atm. Pesage dans le liquide : Remplir deux béchers de 100 ml avec respectivement de l eau déminéralisée et de la glycérine. Les deux liquides sont tempérés. Une balance spéciale avec crochet est à disposition. Attacher un bloc d aluminium suspendu au crochet de la balance à l aide d un fil de nylon. Peser dans le vide, puis dans l eau et enfin dans la glycérine. Répéter les mesures 2 fois environ - 2 -
poid en gramme d'un bloc d'allumium pesé dans: n air eau air glyceine masse voumique glycérine (g/ml) 1 25.50 16.20 25.50 14.00 1.23 2 25.50 16.10 25.50 14.00 1.22 3 25.60 16.20 25.60 14.10 1.22 moyenne 1.22 ecar type 0.01 : Grâce à la formule : ρ glycérine = ρ eau mair m m air m glycérine eau Nous pouvons déterminer la masse volumique de la glycérine une deuxième fois. Nous trouvons le même masse volumique que trouver lors de la précédente expérience. Masse volumique de l air. Prendre un Erlenmeyer à vide (celui avec une sortie latérale) bien sec. Le fermer avec le bouchon intermédiaire et fermer les deux ouvertures avec un bouchon en caoutchouc. Peser l Erlenmeyer sur la balance technique (car il y aurait un certain risque à le peser ensuite rempli d eau sur une balance analytique). Evacuer pendant une minute, peser. L aérer et le peser de nouveau. Répéter le cycle de pesage, évacuation, pesage et aération 5 fois. Remplir ensuite au maximum la partie évacuée de l Erlenmeyer et des tubes avec de l eau et peser de nouveau. Noter la température de l eau. Calculer la masse volumique de l air en utilisant l équation : Calculer la moyenne et l écart-type en utilisant toujours la même masse pesée avec de l eau. Déterminer la pression atmosphérique et la température. Calculer la masse volumique attendue en utilisant la loi du gaz parfait. La masse molaire moyenne de l air est 29 g/mol. - 3 -
mesure du poid de l'aire a l'aide d'un erlenmeyer n avec aire (g) sous vide (g) aérer (g) masse volumique air (g/ml) 1 298.45 298.09 298.43 0.00093 2 298.43 298.10 298.44 0.00093 3 298.44 298.11 298.44 0.00090 4 298.44 298.12 298.44 0.00088 5 298.44 298.12 298.43 0.00085 Moyenne 0.00091 écart type 0.00004 erlemayer avec eau à 20 C 662.05 g Si l on veux calculer la masse volumique en utilisant la loi des gaz parfait. Il faut utiliser la nrt formule V = n = 0.0124 (mol) P R = 8.206*10-2 (L*atm*K -1 *mol -1 ) T = 294.4 (K) P = 0.97 (atm) m air = 0.36 Nous trouvons V = 300 (ml) La masse volumique de l air m ρ = nous trouvons 0.0012 (g/ml) V Nous pouvons voir que la masse volumique dans le tableau n est pas très précise par contre elle l est quant on la calcule avec la loi des gaz parfait. Nous pouvons remarquer que seul le paramètre poids de l eau n est pas réutiliser et donc l erreur doit se situer sur cette mesure. Expansion thermique des liquides Prendre un Erlenmeyer à vide et le remplir avec environ 200 ml d eau déminéralisée. Fermer l Erlenmeyer avec un bouchon et le connecter au vide (à l aide d un second Erlenmeyer intermédiaire). Evacuer pendant 15 min environ. Prendre un ballon poire de 50 ml, un support à thermomètre et une pipette gradué de 2 ml. Nous en avons utilisé un ballon de 25 ml pour l eau car nous avons dû utiliser une pipette graduée de 1 ml). Insérer le support dans le ballon, et le fixer avec un clip. Puis glisser l anneau de caoutchouc sur la pipette, et fixer la pipette dans le ballon. Peser le tout (ballon, support, et pipette) sur la balance technique. Remplir le ballon avec l eau dégazée jusqu au col et réinsérer la pipette dans le trou du bouchon. Elle doit être remplie au 1/3, car le volume va d abord baisser un peu puis augmenter beaucoup. Peser le système ballon-pipette rempli (à l aide d un bécher - 4 -
préalablement taré). Les deux pesages donnent la masse totale d eau dans le ballon et la pipette. Plonger le ballon (accroché à un statif) dans un bécher contenant un mélange d eau et de glace. Fixer un thermomètre dans le bécher avec une pince en bois (l emballer dans un segment de tuyau caoutchouc). Agiter l eau glacée avec un barreau magnétique et atteindre la température d environ 0 C (ajouter de la glace si la T est trop élevée). Laisser augmenter lentement ls température sans chauffer (la chaleur ambiante se charge de faire monter la température). Noter le volume indiqué sur la pipette tous les 1 C. A partir de 10 C, chauffer doucement et relevés les volumes chaque 5 C environ. Continuer ainsi jusqu à 70 C (noter surtout le volume à la même température ambiante que pour l expérience de la mesure de la masse volumique). Calculer le volume initial à la température ambiante en utilisant la masse de l eau et la masse volumique déterminée auparavant. Puis calculer le volume total en fonction de la température, la masse volumique en fonction de la température, et le coefficient d expansion thermique. Pour obtenir ce dernier, utiliser l approximation : donc Refaire les mêmes mesures avec la glycérine (sans la dégazer). Déterminer de nouveau la masse de la glycérine par pesage. Répéter les mêmes mesures de température et de volume en commençant à environ 5-10 C et en utilisant un intervalle d environ 5 C. Faire une mesure proche de la température ambiante où la mesure de la masse volumique a été faite et terminer à 70 C. - 5 -
Resultats Eau Tableau des mesures T ( C) Vol. pipette (ml) Volume total (ml) Masse vol. (g/ml) 0 0.00 39.35 0.996 1 0.01 39.35 0.996 2 0.01 39.35 0.996 3 0.01 39.35 0.996 4 0.00 39.35 0.996 5 0.00 39.35 0.996 6 0.00 39.35 0.996 7 0.01 39.35 0.996 8 0.01 39.36 0.996 9 0.01 39.36 0.996 10 0.02 39.37 0.995 15 0.04 39.39 0.995 20 0.06 39.41 0.994 25 0.09 39.44 0.994 30 0.13 39.48 0.993 33 0.17 39.52 0.992 35 0.20 39.55 0.991 37 0.22 39.57 0.990 40 0.26 39.61 0.989 42 0.30 39.65 0.988 45 0.34 39.69 0.987 50 0.42 39.77 0.985 Graphique 0.450 0.400 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 0 10 20 30 40 50 60-0.050 Glycérine Tableau de mesure T ( C) Vol. pipette (ml) Volume total (ml) Masse vol. (g/ml) 10 0.00 88.59 1.22 15 0.05 88.64 1.22 20 0.13 88.72 1.22 25 0.35 88.94 1.22 30 0.62 89.21 1.21 35 0.85 89.44 1.21 40 1.00 89.59 1.21 45 1.30 89.89 1.20 50 1.63 90.22 1.20 55 1.85 90.44 1.20 60 2.15 90.74 1.19 65 2.40 90.99 1.19 70 2.65 91.24 1.18 Graphique Volume (ml) 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Température ( C) - 6 -
3.4 Construction d un thermomètre Pour les deux prochaine expérience, il faut d abord connaître le point d ébullition de l eau dans le laboratoire. Prendre un grand bécher rempli d eau et porter à ébullition. Mesurer la température quelque minutes après avoir atteint ce point. Prendre une pipette Pasteur avec un capillaire relativement long et fin fabriqué auparavant. Fermer l ouverture large avec un bouchon de caoutchouc. Remplir le tube avec la glycérine en utilisant une seringue en évitant les bulles. Calibrer le thermomètre avec de l eau glacée (0 C) et de l eau bouillante. Finalement, mesurer la température avec ce thermomètre dans un bécher à température inconnue. Température au point d ébullition = 98,5 C On observe une augmentation de la glycérine de 11cm dans le capillaire entre 0 C et 98.5 C (= température dans le bain de glace et de l eau bouillante). On peut donc faire un graphique en calculant les paliers théoriques et tracer une droite. Les points roses sont les valeurs expérimentales trouver a deux température différente : T ( C) h (cm) 23 2.2 45 5.6 Valeur théorique T( C) Cm 0 0 8.95 1 17.9 2 26.85 3 35.8 4 44.75 5 53.7 6 62.65 7 71.6 8 80.55 9 89.5 10 98.45 11 cm 12 10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 120 T ( C) La précision n est pas très bonne mais il faut tenir en compte que la glycérine n est pas facile a manipuler car elle fait des bulle et que le diamètre de capillaire se rétréci peut a peut. Il est donc normale que si on fixe des valeur théorique de façon linéaire plus la température a mesurer sera élever plus l erreur sera grande. - 7 -
3.5 La pression de vapeur d eau Remplir un bécher de 600 ml avec environ 400 ml d eau déminéralisée. Remplir un cylindre gradué de 10 ml avec environ 8 ml d eau déminéralisée.boucher l ouverture du cylindre (avec le doigt ou de la parfine) et le retourner dans le bécher. Une bulle d air d environ 4-5 ml devrait rester en-haut du cylindre. Mettre le bécher sur une plaque chauffante éteinte et fixer le cylindre à l aide d une pince en bois. Ajouter un barreau magnétique et de la glace. Il est important que le cylindre soit complètement submergé dans l eau. La première mesure se fait idéalement autour 1-2 C. Noter la température et le volume de la bulle d air. Puis monter lentement la température, et faire les mesures tous les 2-3 C. Pour les températures >20 C, augmenter l intervalle à 4 C environ. Pour les températures >50 C couvrir l installation avec une feuille d aluminium. Vérifier que le cylindre est complètement submergé dans l eau. Continuer jusqu un peu avant le point d ébullition. La bulle d air se comporte selon la loi des gaz parfaits. La pression totale dans la bulle d air est donnée par la somme des pressions partielles de l air et de la vapeur d eau, et en même temps elle correspond à la pression de l air ambiante. Le nombre de moles dans la bulle est donné par la loi des gaz parfaits. Formule : p 0 correspond à la valeur de la pression atmosphérique du laboratoire = 0.97 atm Tableau T C V (ml) n mol 1 4.60 2.72 3 4.60 2.72 5 4.70 2.78 7 4.70 2.78 8 4.80 2.84 10 4.80 2.84 14 4.90 2.90 18 4.90 2.90 20 4.90 2.90 27 5.00 2.96 32 5.10 3.01 35 5.20 3.07 38 5.30 3.13 T C V (ml) n mol 40 5.30 3.13 42 5.40 3.19 45 5.40 3.19 47 5.50 3.25 51 5.70 3.37 55 5.80 3.43 62 6.60 3.90 65 6.80 4.02 67 7.00 4.14 70 7.30 4.31 73 7.80 4.61 75 8.00 4.73-8 -
graphique du nombre de moles n en fonction de la température 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 n (mol) 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Température ( C) Pour les températures basses, le nombre de moles n devrait approcher une constante n 0. Le nombre des moles correspond au nombre de moles d air, car la pression partielle de l eau est négligeable aux températures suffisamment basses. Déterminer cette valeur en calculant la moyenne des points sur le plateau. n 0 = 2.85 mol Une fois que ce nombre est déterminé, la pression de la vapeur d eau en fonction de la température peut être calculée en utilisant la loi des gaz parfaits Formule Faire un graphique de la pression de vapeur en fonction de la température (en Kelvin). Déterminer d abord la température pour laquelle la pression de vapeur est égale à la pression atmosphérique. Puis calculer l enthalpie de vaporisation de l eau en utilisant l équation de Clausius- Clapeyron : Formule Ajouter deux colonnes supplémentaires, et transformer la pression p en ln p et la température T en 1/T. Effectuer une régression linéaire. A partir de la pente, calculer l enthalpie de - 9 -
vaporisation et la pression virtuelle dans le liquide. 3.6 Analyse des nitrites Une méthode similaire à celle utilisée pour la mesure de la pression de vapeur sera utilisée pour doser l ion nitrite dans un échantillon. Le nitrite de potassium KNO2 réagit avec l acide sulfamique selon la réaction : KNO 2 + NH 3 SO 3 N 2 + SO4 2- + H 3 O + + K + Le volume d azote formé durant cette réaction donne une mesure quantitative du nombre de moles de nitrite contenu dans la substance. Analyse du nitrite de potassium Peser environ 40 mg de nitrite de potassium et le transférer dans un Erlenmeyer à vide propre. Ajouter environ 40 ml d eau déminéralisée. Fermer l Erlenmeyer avec un septum (bouchon en caoutchouc étanche). La sortie du flacon est connectée à un tube en U fabriqué auparavant. Prendre un cylindre gradué de 25 ml et le renverser dans le bécher. La partie ouverte devra êt être plongée dans l eau et la partie connectée au tuyau doit être à l extérieur du cylindre. Après avoir rempli un bécher de 600 ml avec de l eau déminéralisé, tourner le cylindre gradué et le plonger dans l eau. Le niveau d eau dans le cylindre doit être égal à celui du bécher. Placer l Erlenmeyer à vide sur un agitateur magnétique avec un barreau magnétique au fond. Noter le volume sur la graduation du cylindre, la température et la pression ambiante. Ensuite, injecter lentement 4.25 ml d une solution 0.5 M d acide sulfamique, au travers du septum, dans l Erlenmeyer à vide. Laisser la réaction progresser en agitant à la main. Le gaz formé dans l Erlenmeyer va s évacuer dans le cylindre et remplacer une partie de l eau. Noter le volume sur la graduation, une fois la réaction terminée. Effectuer la procédure au moins trois fois. Calculer la fraction massique de NO2 dans l échantillon selon la formule : Formule Pour les trois expériences, calculer ainsi la moyenne et l écart-type de la fraction massique. Comparer ces valeurs avec la valeur théorétique pour KNO2 selon Formule Discuter quelle sera l influence de la pression de vapeur et de la pression hydrostatique sur les résultats. Analyse du nitrite mixte de potassium, de baryum et de nickel - 10 -
Dans l expérience 2, un nitrite mixte a été synthétisé selon la réaction : x K + + y Ba2 + + z Ni 2+ + (x + 2 y + 2 z) NO 2 - KxBayNiz(NO 2 ) x+2y+2z Utiliser le même montage que pour la procédure d analyse du nitrite de potassium, afin de mesurer le contenu du nitrite dans ce sel mixte. A nouveau, une quantité d environ 40 mg sera utilisée pour l analyse. Effectuer l analyse et calculer la fraction massique de NO2. 3.7 Les phénomènes capillaires Montée capillaire Immerger des capillaires fabriqué auparavant dans l eau déminéralisée et mesurer la montée pour chaque capillaire. Mesurer le diamètre de chaque capillaire avec le microscope USB. Comme référence, utiliser une bille de métal de 1 mm de diamètre. valur avec programme diamètre (mm) rayon montée capilair h (mm) longeur capilaire L (mm) boulle 567 2.00 1.00 / / capillaire 1 129 0.46 0.23 69 2.80 capillaire 2 149 0.53 0.26 61 2.83 capillaire 3 188 0.66 0.33 43 2.67 moyenne 2.77 On vérifie donc la Loi de Jurin. Selon sa formule : 2 h r = 2 L = const. L = 2.7 mm Nous trouvons une moyenne de 2.77 ce qui est relativement proche si l on tien compte de toutes les erreurs possible : l élargissement ou rétrécissement des capillaires, les erreurs multiple l ors de la détermination du diamètre a l aide du microscope USB. Les objets lourds qui flottent Remplir une boîte de Petri avec de l eau. Prendre le fil de fer le plus fin et couper une pièce d environ 1-2 cm. Le poser soigneusement sur la surface de l eau avec une pincette et le faire flotter. Discuter pourquoi cette observation n est pas en contradiction avec le principe d Archimède? Puis étudier les fils de fer de diamètres et de longueurs différents. Quel est le paramètre important? Etablir un critère pour qu un fil de fer flotte sur l eau. On peut aussi faire flotter les trombones ou une feuille d aluminium. Essayer. Que se passe-t- - 11 -
il si on ajoute une trace de savon dans l eau? 4. Conclusion - 12 -