2007 - Associations d`Étudiantes

Gaz et Liquides
Daniel Abegg
Alexandre Dumoulin
Université de Genève, Science II, Laboratoire G
Groupe 7
16 janvier 2007
Résumé
quant sur la partie supérieur de l’objet est
inférieur à celle exercée sur le bas de l’objet.
La somme de ces forces donne la force totale
qui est appelée la flotabilité. Un objet sera
sous l’eau que jusqu’ au point où la flottabilité compensera son poids. Par exemple un
iceberg : le rapport entre le ρ de la glace et
celui de l’eau est de ∼ 90% donc seulement
10% reste au-dessus de la surface.
Une des lois les plus importantes est celle
des gaz parfaits. P V = nRT (unité SI).
Cette loi est intéréssante car peu importe
le gaz et s’il s’agit d’un gaz pur ou d’un
mélange. La loi de Dalton nous dit que
la somme des pressions partielles donne la
pression totale. Donc une pression partielle
se mesure par rapport au pourcentage de
mole d’un gaz dans un mélange multiplié
par la pression totale.
Pour un liquide à température constante,
il y a un échange de molécules de la
phase liquide à gazeuse et vice versa,
c’est ce qui est applelé l’évaporation, seulement la couche d’eau à la surface effectue cette action. Les molécules de gaz en
se déplacant se heurtent aux paroies du
récipient et applique une pression de vapeur. Si par exemple la température augmente, le nombre de molécules allant au gaz
augmenteront et ce fait la pression de vapeur augmantera (pour un système isolé).
Dans cette expérience nous étudierons
quelques propriétés physique des gaz et
liquides. À l’opposé des solides, ils ne
posèdent pas de forme propre mais plutôt
ils s’adaptent à la forme du milieu. Le gaz
remplit tout l’espace et le liquide, lui occupe
l’ espace par rapport à se taille comme un
solide.
Dans la chimie physique la masse volumique
(ρ) est une information importante. Comme
sont nom l’indique c’est la quantité dans
masse dans un volume. La masse volumique
d’un gaz ou d’un liquide peut être relativement influencée par une variation de
pression et / ou de température. On mesure donc un coefficient d’expansion thermique (α) où l’on fait varier la température
d’un intervalle proche de 0 pour observer un
changement de volume proche de 0 à pression constante.
La pression est une force s’appilquant sur
une surface. Un liquide au repos peu importe la forme du récipient a une pression.
Cette pression s’appelle la pression hydrostatique.
Un objet flotte sur l’eau si sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau et à l’inverse il coule. Sur un objet immergé dans de
l’eau il y a plusieurs forces. La force s’appli1
L’enthalpie de vaporisation nous indique le
nombre de joule qu’il faut pour augmenter
d’un degré une mole de liquide.
Lorsque la pression d’un liquide est égale
à celle de l’extérieure le liquide est en
ébulition. La pression en haute altitude diminue ainsi que le point d’ébultion donc
l’eau bouera à température inférieure au
sommet du Mont-Blanc qu’ à Genève car
la courbe du point d’ébulition (pression en
fonction de la température) est de type exponentielle.
Observations
Il y a des pertes de coca-cola dans la canette.
mcoca
=
345.95
g
Le bécher est mis à chauffer à 80˚C , puis
refroidit à 20. Pesée d’un ballon de 100 ml
et mise du coca dedans.
mcoca (100ml)
ρcoca
Introduction
=
=
104.287 g
1.043 g/ml
Puis la canette est pesée.
Dans cette expérience nous allons calculer
mcanette = 15.31 g
la masse volumique du coca-cola et de son
homologue le light, comparer leurs flottabilités et calculer la quantité de sucre dans Nous remplisisons la canette avec H2 O et la
la version light. Puis nous chercherons le repesons et divisons la masse par le ρ d’H2 O
coefficient d’expansion termique de l’eau et
l’entalpie de vaporisation de l’eau. Pour fiVtot
= 346.35 ml
nir nous déterminerons la quantité de nitrite
Vcoca
= 331.69 ml
dans le nitrite de potassium ainsi que dans
ρ
=
1.043 g/ml
moyen
le sel mixte (K2 BaN i(N O2 )6 ).
Coca-Cola light
Méthodologie
La canette flotte dans l’eau. L’analyse se
fait de la même façon que pour le coca-cola.
Soft-Drinks et Archimède
ρcoca light
Vcanette
mcanette
Vcoca light
ρmoyen
Eau distillée
Pesée d’un ballon de 50 ml. Puis on le
remplit avec de l’eau ditillée et on le pèse.
mH2 O
ρH2 O
= 49.85 g
= 0.997 g/ml
=
0.997 g/ml
= 346.222 ml
=
14.81 g
= 330.271 ml
= 0.9924 g/ml
Quantité de sucre dans le light
Dans le coca, il y a 35 g de sucre dans une
canette de 330 ml, avec la variation de speLorsque la canette (330 ml) est mise dans cific gravity entre les 2 versions de coca mull’eau, elle coule. Pesée d’un bécher et mise tiplié par le ρ de l’eau. Nous trouvons qu’il
du coca dans ce dernier.
y a ∼ 14.3 g de sucre dans le light.
Coca-Cola
2
Variation de volume pour la flo- Observations
tabilité de la canette
La lecture du ménisque apporte une erreur
Le volume maximal de coca, qui peut être de ± 0.02 ml
mis dans la canette pour qu’elle flotte est
de 331.673 ml, soit 0.1 ml de moins.
La pression de vapeur de
Le volume minimal nesscéaire pour que la
canette de coca light coule est de 331.366 l’eau
ml, soit ∼1.1 ml de plus.
Mise de 600 ml d’H2 O dans un bécher et 8
ml d’H2 O dans un cylindre gradué de 10
Expansion thermique d’un ml. Le cylindre est fermé avec un doigt,
renversé et mis dans le bécher, après avoir
liquide
relaché le doigt, une bulle d’air est piégé
Mise d’une pipette graduée dans un ballon dans le cylindre. Le cylindre est fixé par
dessus avec un statif, le tout est recouvert
de 50 ml à travers un bouchon et pesée.
Mise de 200 ml d’H2 O dans un Erlenmeyer par une feuille d’aluminium et chauffé
et mise sous vide pendant 15 minutes et tranquillement à 75-80 ˚C.
Puis la plaque est coupée et nous observons
transfert dans le ballon. Pesée
la variation de la taille de la bulle.
mH2 O
=
69.57
g
Un bécher est rempit d’H2 O et le ballon,le
bouchon,la pipette sont mis dedans. Le
tout dans un bain-marie sur la plaque
chauffante et le ballon est tenu par un
statif. Ajout d’un barreau magnétique et
chauffage.
Température [˚C]
22
27
32
37
42
47
52
57
62
T [˚C]
59
57
55
53
51
49
47
Volume [cm3 ]
73.14
73.18
73.26
73.42
73.64
73.84
74.10
74.42
74.67
V [m3 ]
1.0 · 10−5
9.8 · 10−6
9.6 · 10−6
9.4 · 10−6
9.2 · 10−6
9.0 · 10−6
8.8 · 10−6
1/T [K]
3.01 · 10−3
3.03 · 10−3
3.05 · 10−3
3.07 · 10−3
3.08 · 10−3
3.10 · 10−3
3.12 · 10−3
ln(Pvap i )
9.806
9.739
9.663
9.578
9.480
9.366
9.232
Nous traçons un graphique de ln(Pvap i )
en fonction de 1/T et nous multiplions la
pente par R (8.3145 J/K*mol) et obtenons
−∆Hvap .
∆Hvap
∆Hvap theorique
Erreur relative
= 41.89 kJ/mol
= 42.3 kJ/mol
= 0.965 %
Puis ajout de glace dans le bécher pour
faire diminuer la température. Le volume
Coefficient d’expansion obtenu par la pente de la bulle à 2˚C est de 6.8 ml.
du graphique volume en fonction de la Calcul du nombre de moles d’air dans le
cylindre avec l’équation des gaz parfait.
température multiplié par le Vmoyen :
Vmoyen
α
=
=
73.74
cm3
5.397 · 10−4
nair
3
=
3.0118 · 10−4
mol
Détermination des nitrites
contenus par des mesures
de volume de gaz
mmoyenne
Vmoyen
nmoyen
ymoyenne
6 ∗ ytheorique
=
0.0181
= 7.667 · 10−6
= 3.165 · 10−4
=
80.46
=
50.4
g
m3
mol
%
%
Pesée du KN O2
mmoyenne
=
Discussion
0.01855 g
Ajout de 40 ml d’H2 O et transfert dans un
Erlenmeyer. Prise d’un bécher de 600 ml
remplit avec H2 O et mise d’un cylindre de
25
F ml renversé dans lequel il y a un tube en
qui est relié via un tube en plastique à
l’Erlenmeyer. Puis nous mettons un septum
et injection 3 ml d’acide sulfamique 0.5M
dans l’Erlenmeyer à l’aide d’un ceringue.
L’H2 O de l’Erlenmeyer est constamment
agité avec un barreau magnétique.
Vmoyen
=
7.25 · 10−6
Dans cette expérience nous avons beaucoup
utilisé la balance technique qui n’a pas été
très précise car elle est sensible et ne se fixe
pas sur une valeur mais plutôt varie de ±
5g.
Pour la première partie du laboratoire nous
avons pu confirmer que la masse volumique
du coca-cola est plus grande que celle de
l’eau ce qui prouvais bien le fait qu’elle coule
et l’inverse pour la version light. Pour que
la canette de coca flotte, nous avons trouvé
qu’il fallait un volume ridiculeusement plus
petit (∆V est probablement plus petit que
l’écart type des machines de chez coca-cola)
et donc cette valeure n’est pas très précise
probablement à cause de la balance technique. Par contre, pour le coca light la variation de volume pour que la canette coule
paraı̂t plus juste car elle est plus grande et
que la canette flottais limitement avec le volume de base (environs 90% du volume étais
immergé ). Malgré le fait que le light soit
supposé avoir peu de sucre, il en a, mais un
peu moins de la moitité du coca normal (environs 14g).
Pour l’expérience de l’expension thermique
de l’eau, nous avons eu quelques difficultés
car lors de la première tentative nous avons
eu une fuite. Au dessus de 47˚C le bouchon c’est soulevé de la poire et donc le volume dans la pipette graduée montais un
peu puis redécendais et avait plus ou moins
un état stationnaire. Lors de la 2ème tentative nous avons pu aller jusqu’a 62˚C au
lieu de 70 car le volume était à la limite de la
pipette. Le coefficient α était supposé être
constant mais en lisant le graphique nous
m3
Puis nous calculons avec une pression de 1
atm et une température de 22˚C.
n N2
yN O2
yN O2 (theorique)
= 2.993 · 10−4 mol
=
74.24 %
=
56.06 %
Nous avons une autre valeur que nous
avons utilisé car elle était trop différente
mais lorsque nous faisons les calculs :
mKN O2
Volume
n N2
y N O2
=
0.0171 g
= 4.75 · 10−6 m3
= 1.96 · 10−4 mol
=
52.76 %
Cette valeur est plus juste que la moyenne
des 2 autres valeurs.
Analyse du complexe de
nitrite synthétisé
Les manipulations sont les mêmes qu’avant.
Calculs pour K2 BaN i(N O2 )6 :
4
voyons que la croissance du volume est plus
faible à basse température. La variation de
la masse volumique de l’eau est très visible,
de 951 à 932 kg/m3 . Cette expérience comporte plusieurs facteur d’erreur, notammant
au niveau de la température. Car la poire
est peut-être sous l’eau mais pas le bouchon
et le statif qui le tient donc le volume lu
est inférieur à ce qu’il devrait être. Il y a
aussi de l’erreur au niveau de la lecture du
ménisque.
Dans le cas de la pression de vapeur de
l’eau, nous avons obtenu un ∆ d’enthalpie de vaporisation proche de la valeur
théorique (0.965% d’erreur) et nous sommes
statsifait. Les erreurs dûes à la température
sont inférieures par rapport à l’expérience
précédente car le cylindre est totalement
immergé. La pression de vapeur diminue
rapidement pour une petite variation de
température passant de 18150 Pa à 59˚C
à 10220 Pa à 47˚C.
Pour la dernière partie de l’expérience
nous avons eu quelques problèmes. La fraction massique pour les nitrites devrait être
idéalement à 54%, mais nous avons fait 3
essais et obtenu 2 valeurs proches et une
différente. Si nous utilisons les 2 valeurs
proches la fraction massique est de 74%,
ce qui est très différent. Mais si la valeure
seule est prise la fraction vaut 52.8%. Il y a
donc eu un problème avec notre montage,
la valeur seule est la valeur du 1er essai.
La probabilité est grande que ce problème
s’exprime aussi pour les nitrites dans le sel
mixte. Effectivement la variation est un peu
supérieure dans le cas du sel mixte, 80.5%
mesuré et 50.5% en théorique.
de décimale mais principalement qu’elle est
trop sensible pour son environement car le
simple fait de respirer fait varier la masse.
La balance analytique est elle dans une
cloche de verre. Même la version light des
soft-drinks contient beaucoup de surce et en
plus il s’agit d’aspartane (”faux sucre”) qui
est dangereux pour le cerveau. Nous avons
fait l’expérience avec la coca mais il est de
même pour le pepsi ou autre boisson.
Comme attendu la masse volumique de
l’eau varie avec la température. La pression
de vapeur de l’eau est non négligable (∼
10%) de la pression atmosphérique à 47˚C.
Conclusion
Nous concluons que la balance technique
est moins précise que l’analytique pas seulement à cause du fait qu’elle possède moins
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