Loi des gaz parfaits

Source : Smaa Koraym de l’Université Johns Hopkins, MD, États-Unis

1. Détermination de la masse du liquide inconnuExpand

   Selon la loi des gaz parfaits pour une pression, une température et un volume donnés, le nombre de moles de gaz dans ce volume est toujours le même. Dans cet exercice, vous allez utiliser cette relation pour calculer la masse molaire d’un liquide inconnu. Vous plongerez un tube Dumas contenant le liquide inconnu dans de l’eau bouillante pour vaporiser le solvant. Après avoir attendu quelques minutes que la vapeur s’équilibre avec son environnement, vous laisserez la vapeur se condenser puis mesurerez la masse du liquide dans le tube. La masse molaire ne change pas avec la phase, de sorte que la masse du liquide condensé est la même que la masse de la vapeur.

   Les liquides inconnus sont volatils, toxiques et peuvent être inflammables, vous travaillerez donc dans une hotte. Votre instructeur distribuera pour vous l’inconnu qui vous a été attribué dans votre tube Dumas. Gardez toujours le tube de Dumas pointé loin de vous et des autres. Cette section du laboratoire utilise un bec Bunsen pour faire bouillir l’eau. Prenez soin de garder vos manches, vos cheveux et le liquide inconnu à l’écart de la flamme et soyez prudent lorsque vous travaillez autour de liquides chauds, de verre et de métal.

   • Avant de commencer le laboratoire, enfilez une blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité et deux paires de gants en nitrile. note: L’acétone et les liquides inconnus imprègnent rapidement les gants en nitrile, alors procurez-vous de nouveaux gants si vous touchez l’un de ces liquides. Laissez sécher les vieux gants dans la capuche avant de les jeter.
   • Connectez une extrémité d’un morceau de tube en latex à l’entrée barbelée d’un bec Bunsen. Connectez l’autre extrémité du tube au jet de gaz de votre hotte. Vérifiez que le collier à la base du bec Bunsen est fermé.
   • Avec le bec Bunsen sur la base du support de laboratoire, installez un anneau sur le support de laboratoire au-dessus du bec Bunsen et ajustez les anneaux de manière à ce qu’il soit centré à 2 pouces au-dessus de la flamme. Serrez la pince pour fixer l’anneau en position. Placez un carré de gaze métallique sur l’anneau pour faire une plate-forme.
   • Ensuite, fixez un Erlenmeyer de 500 ml sur la plate-forme à l’aide d’une pince à 3 griffes. Fixez une pince de thermomètre au-dessus de la pince à trois broches et tournez-la en direction de la fiole.
   • Une fois les pinces en place, retirez l’Erlenmeyer. Placez plusieurs copeaux bouillants dans le ballon et remplissez-le jusqu’à 500 ml d’eau déminéralisée.
   • Remplissez un bécher de 400 ml avec de l’eau déminéralisée. Remettez le ballon rempli en place sur la plate-forme métallique.
   • Obtenez plusieurs serviettes en papier. Déchirez une serviette en papier en lanières d’environ la longueur du col allongé du tube Dumas. note: Écartez les serviettes en papier avant d’allumer le bec Bunsen.
   • Assurez-vous que votre percuteur de feu est à portée de main. Ensuite, ouvrez le jet de gaz, tenez l’extrémité de frappe près du haut du bec Bunsen et appuyez rapidement sur la poignée mobile pour produire une étincelle qui enflammera le gaz.
   • Une fois que vous avez allumé la flamme, tournez le collier à la base du canon pour augmenter le flux d’air, ce qui rendra la flamme plus chaude. Tournez le robinet de gaz pour augmenter la hauteur de la flamme à environ 4 à 6 pouces. note: Un élève doit rester au poste de travail pendant l’utilisation du bec Bunsen.
   • Placez le tube Dumas dans un bécher propre de 100 ml et amenez-le à une balance analytique.
   • Tare le bécher en plastique de 250 ml. Utilisez une lingette de laboratoire pour éliminer les traces de poussière et d’huile de toute la surface du tube.
   • Tenez le tube propre dans une lingette de laboratoire fraîche et transférez-le soigneusement dans le bécher en plastique. Notez la masse du tube Dumas vide dans votre cahier de laboratoire.

     Tableau 1 : Masse molaire d’un liquide inconnu

     Essai	Masse Tube de Dumas + Inconnu	Massevide Tube de Dumas	Masseinconnue
     1
     2
     3
     4
     Masse moyenneinconnue
     écart type

     Pression (hPa)
     Température (ºC)
     Température (K)
     Tube massiquerempli d’eau (g)
     Masse d’eau (g)
     Densitéde l’eau (g/cm3)	1
     Volume degaz (cm3)
     Molesgaz (n)
     Masse molaireinconnue (g/mol)
     Pourcentage d’erreur ( %)
     R théorique (hPa·cm3/mol·K)	8.314 × 104
     R calculé (hPa·cm3/mol·K)
     Différence entre le R théorique et le R calculé

     Cliquez ici pour télécharger le Tableau 1
   • Utilisez une lingette de laboratoire pour transférer le tube dans votre bécher de 100 ml.
   • Lorsque votre instructeur vous appelle, apportez le tube Dumas dans le bécher jusqu’à la hotte de distribution désignée où votre instructeur ajoutera un petit volume d’inconnu dans le tube.
   • Enveloppez le col du tube Dumas avec des serviettes en papier pour aider à maintenir une température constante.
   • Une fois que l’eau de l’erlenmeyer bout, fixez le tube Dumas dans la pince du thermomètre. Tournez délicatement la pince de manière à ce que le tube soit aligné avec le col de l’Erlenmeyer et abaissez lentement la pince jusqu’à ce que le corps du tube Dumas soit complètement immergé dans l’eau bouillante. note: Ne touchez pas la fiole.
   • Une fois le tube Dumas en position, fixez la pince du thermomètre en place et notez l’heure.
   • Maintenant, attendez que votre liquide inconnu se vaporise, ce qui devrait prendre 3 à 5 minutes. note: Faites le plein d’eau dans la gourde chaque fois que le niveau de l’eau baisse.
   • Une fois que vous ne voyez plus de liquide dans le tube, notez l'heure et attendez encore 3 minutes pour laisser la température et la pression de la vapeur s'équilibrer avec son environnement.
   • Soulevez la pince du thermomètre pour soulever le tube Dumas de l’eau bouillante. Tournez la pince pour l’éloigner du ballon afin que le tube puisse refroidir à l’air ambiant.
   • Après 2 à 3 minutes, séchez soigneusement l’extérieur du tube avec du papier absorbant. note: Les gouttes d’eau peuvent être encore chaudes.
   • Attendez que le tube refroidisse à température ambiante pour que la vapeur se condense complètement. Une fois refroidi, retirez le tube de la pince et séchez toute trace d’eau restante sur le tube avant de le placer dans le bécher de 100 ml. note: L’eau résiduelle ajoutera de la masse.
   • Portez le bécher jusqu’à une balance et nettoyez l’extérieur du tube avec une lingette de laboratoire. Mesurez la masse. Enregistrez-le dans votre cahier de laboratoire en tant que masse post-essai.
   • Effectuez trois autres essais de la même manière. Pour trouver la masse de l’inconnu restant après chaque essai, soustrayez la masse du tube de Dumas vide de chaque masse après l’essai.
   • Lorsque vous aurez terminé la 4ème épreuve, coupez le gaz pour éteindre le bec Bunsen. Attendez 5 minutes avant de démonter l’anneau, la gaze et le bec Bunsen du support d’anneau.
2. Déterminer le volume du tube de DumasExpand
   • Remplissez un bécher de 400 ml d’eau déminéralisée et procurez-vous quelques serviettes en papier.
   • Mesurez la température de l’eau et notez la température dans votre cahier de laboratoire.
   • Sur le capot de l'instructeur, remplissez une seringue de 20 ml avec l'eau du bécher et connectez une aiguille à la seringue.
   • Insérez soigneusement l’aiguille dans le tube Dumas et poussez l’eau dans le tube. note: Évitez de former des bulles d’air car tout l’air doit éventuellement être éliminé du tube.
   • Une fois la seringue vide, retirez l’aiguille, remplissez la seringue d’eau, reconnectez la seringue et ajoutez l’eau dans le tube. Répétez ce processus jusqu’à ce que le tube Dumas soit plein, sans bulles d’air visibles.
   • Sèche soigneusement l’extérieur du tube Dumas. Ensuite, pesez le tube rempli d’eau et soustrayez la masse du tube vide pour trouver la masse de l’eau.
   • Enregistrez la pression atmosphérique dans la pièce à partir du baromètre du laboratoire.
   • Connectez le bras latéral barbelé de la fiole Büchner à la pompe à vide ou au vide domestique à l’aide d’un tube en silicone.
   • Fixez le flacon filtrant à la verticale dans la hotte. Insérez un bouchon monotrou avec un adaptateur de tube dans l’embouchure de la fiole Büchner et placez une extrémité d’un morceau de tube en latex sur l’adaptateur. Placez l’autre extrémité du tube en latex sur l’extrémité allongée du tube Dumas.
   • Utilisez la pince du thermomètre pour maintenir le tube Dumas à l’envers, puis ouvrez la conduite de vide pour évacuer rapidement l’eau dans la fiole filtrante. Une fois le tube Dumas vide, fermez la conduite de vide et ouvrez le ballon filtrant et le tube Dumas à l’air.
   • Remettez le tube Dumas dans le bécher de 100 ml et apportez-le soigneusement à votre instructeur, qui distribuera 1 ml d’acétone dans le tube.
   • Secouez le tube jusqu’à ce que toutes les gouttelettes d’eau qu’il contient se soient mélangées à l’acétone et que l’intérieur du tube semble sec. Rendez le tube sec à votre instructeur. note: Si du liquide est encore visible dans le tube, tenez le tube à l’envers au-dessus d’un bécher vide jusqu’à ce que l’acétone s’évapore ou s’écoule du tube.
   • Démontez l’appareil d’aspiration sous vide et jetez les déchets organiques et contaminés par des organohalogénures dans le conteneur approprié. Versez le reste d’eau déminéralisée dans le drain et lavez votre verrerie selon les procédures standard de votre laboratoire.
3. ResultsExpand
   • Détermine la masse molaire de ton composé inconnu. Commencez par déterminer les moles de vapeur à l’aide de la loi des gaz parfaits. Remarque : Lorsque la vapeur dans le tube est en équilibre avec son environnement, elle a la même pression que la pièce et la même température que l’eau bouillante.
   • Pour le volume, détermine la masse d’eau qui a rempli le tube de Dumas. note: La densité de l’eau est d’environ 1 g/cm³.
   • Sélectionnez la valeur de la constante de gaz parfait avec les unités les plus proches de celles que vous avez utilisées et convertissez toutes les unités non concordantes, telles que la température.
   • Résout pour obtenir le nombre de moles de gaz dans ces conditions.
   • Trouvez la masse moyenne de l’inconnu des quatre essais.
   • Calculez l’écart-type pour voir à quel point vos résultats étaient cohérents. Divisez la masse moyenne par le nombre de moles calculé pour trouver la masse molaire approximative de votre inconnu.
   • Comparez cette valeur aux masses molaires des trois candidats pour votre inconnu-- trichloréthylène, 1,2-dichloroéthane et 2-bromopropane.
   • Identifiez le candidat avec la masse molaire la plus proche et calculez le pourcentage d’erreur. note: Les gaz ont tendance à imiter le comportement idéal à la pression atmosphérique, de sorte que vous devriez être à moins de 10 % de la valeur publiée.
   • Maintenant que vous connaissez la masse molaire réelle de votre composé, recalculez le nombre de moles à partir de votre masse moyenne. En utilisant la même pression, le même volume et la même température que précédemment, calculez la constante de gaz. La différence entre la constante calculée et la constante universelle représente l’écart par rapport au comportement des gaz parfaits.