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pyknometrische Dichte von Gasen [g] dichte_g.htm 04.10.2012 |
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Inhaltsverzeichnis
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1. Dichte Vorwissen: Definition der Dichte
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2. Dichte von Luft Um die Dichte von Luft bestimmen zu können, benötigt man eine Waage, einen Gefäß mit bekanntem Rauminhalt, das man leer pumpen (evakuieren) kann. Hierfür eignen sich besonders für Schülerübungen Kunststoffspritzen, die sehr dicht sind und beim Leerpumpen nicht splittern. In der Chemie bezeichnet man solche Kunststoffspritzen als Kolbenprober. Man verhindert das Zurückschnellen, indem man eine Metallstab durch ein Loch im Kolben und durch Löcher im Zylinder schiebt. Das Vakuum kann über Stunden aufrecht erhalten werden. Den so leer gepumpten Kolbenprober stellt man auf einer Waage ab undbestimmt die Masse des leeren Kolbens (Bild1). Schritt 1 Tara-Messung: Zunächst verbindet man den Kolbenprober mit einem Dreiwegehahn und schließt den Hahn. Nun zieht man mit großer Kraft den Kolben aus dem Zylinder. Dabei entsteht ein luftleerer Raum im Zylinder. Von allein würde der Kolben sofort wieder mit großer Wucht in den Zylinder zurückschnellen. Ein Glaskolbenprober würde dabei zersplittern! Schritt 2 Brutto-Messung : Danach öffnet man den Hahn, so dass Luft in den Kolben strömt und bestimmt die Masse erneut. Schritt 3 Netto-Berechung: Die Masse der Luft erhält man dadurch, dass man die Masse (Brutto-Tara) berechnet. Die Masse des Inhalts allein bezeichnet man mit Netto. Hat man elektronische Waagen, kann man den Nullpunkt so einstellen, dass er mit Tara übereinstimmt (s. Bild oben).
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3. Auftriebskorrektur Die Korrektur der Auftriebskräfte, die durch Verdrängung der umgebenen Luft ist bei oben genannten Vorgehen nicht erforderlich. Dadurch dass der luftleere Kolbenprober bereits mit seinem Endvolumen bei der Tara-Bestimmung gewogen wird, wird keine weitere Luft beim Füllen verdrängt. Die Gewichtszunahme nach dem Füllen ist daher direkt auf die Masse des eingefüllten Gases zurückzuführen. Anders ist das, wenn man einen Luftballon mit einem Gas füllt. Hierbei wird das gleiche Volumen Luft durch das eingefüllte Gas verdrängt. Daher muss man die Auftriebskraft der Luft berücksichtigen und zu der Masse des Luftballons addieren. Augenfällig ist das, wenn man eine Luftballon mit Helium füllt und auswiegt. Der mit Helium gefüllte Luftballon hat ein geringere Brutto Masse als die /Tara-)Masse des leeren Lallons beträgt. Es scheint, als hbe Helium eine negative Masse (also eine Gewichtsabnahme trotz des Einfüllens von Helium).
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Bestimmung der Dichte von Luft mit einer elektronischen Waage (mit Tara - Funktion) | |||||||||||||
Bild 1: Schüler beim Einstellen des Leergewichtes (Tara) von 3 luftleeren Kolbenprobern. (Wenn man nur über eine Waage verfügt, die 0,1g abmessen kann, muss man mehr als 100 mL Rauminhalt von Gasen ausmessen, um auswertbare Messwerte zu erhalten.)
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Elektronische Waagen haben in der Regel eine Taste, mit der man die Netto-Bestimmung einer Einwaage in einfacher Weise bestimmen kann. Diese Funktion wird Tara-Funktion genannt. Vorphase: Als Erstes wird die Waage mit leerer Waagschale eingeschaltet. Dabei stellt die Elektronik den momentanen Belastungszustand fest und stellt die Anzeige auf "Null". Phase 1 Tara-Messung: Zunächst wird ein leeres Gefäß auf die Waagschale gestellt. Sicherheitshalber wird die angezeigte Masse notiert. Dann wird der Tara-Knopf der Waage betätigt. Daraufhin springt die Anzeige auf "Null" und der Tara-Wert ist elektronisch gespeichert.
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Bild 2: Schüler beim Belüften der 3 luftleeren Kolbenprober.
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Im Bild 2 kann man bei der elektronischen Waage mit Tara- Einstellung nach dem Öffnen sofort die Masse der Luft ablesen. In diesem Fall erkennt man Luft mit dem Volumen V = 3 *60 mL besitzen die Masse von m=0,20 g. | |||||||||||||
Daraus berechnet man die Dichte d = m/V der Raumluft bei ϑ=22°C und p=1007 hPa: d(Luft) = 0,20 g / 0,180 L; d(Luft) =1,11 g/L. (Die Angabe ist nur auf zwei signifikante Stellen genau anzugeben, da sowohl die Masse als auch das Volumen nur auf zwei Stellen genau bestimmbar sind.) Da sich Luft leicht zusammendrücken lässt und sich beim Erwärmen stark ausdehnt, muss man noch die Temperatur und den Luftdruck angeben, bei der die Dichte bestimmt wurde. Damit weltweit Angaben wie die Dichte von Gasen vergleichbar sind, hat man sogenante Normbedingungen festgelegt. Diese legen als Vergleichstemperatur T=273,15 K (ϑ = 0°C) und Vergleichsdruck p= 1013,15 hPa fest Unter Normbedingungen beträgt die Dichte der Luft d=1,293 g/L ("Litergewicht") |
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5. Dichtebestimmung von Erdgas
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Die Dichte von Erdgas bestimmt man auf die gleiche Weise wie die der Luft. 1. Zunächst bestimmt man die Masse des evakuierten und allseitig gesperrten Kolbenprobers (Tara-Masse). 2. Der Erdgashahn wird mir einem Schlauch verbunden. Vorsicht beim weiteren Befüllen mit Erdgas! Spätestens jetzt muss man alle offenen Flammen löschen und überzeugt sich davon, dass alle weiteren Zündquellen aus sind! Dann muss man schnell arbeiten, da sich sonst eine größere Menge eines explosionsfähige Luft/Erdgasmischung bildet: 3. Der Erdgashahn wird geöffnet und damit die Luft aus dem Schlauch entweichen kann, etwas verzögert mit dem Dreiwegehahn des Kolbenprobers verbunden. 4. Der Dreiwegehahn wird so geöffnet, dass nur die Verbindung mit dem Erdgasschlauch besteht und sofort danach wieder geschlossen. Bei dem gesamte Befüllen darf der Erdgashahn höchsten 5 Sekunden geöffnet sein. (siehe auch: Begriff Explosionsgrenze). 5. Der Kolbenbrober wird erneut auf die Waage gestellt und gewogen (Brutto-Gewicht). 6. Aus der Differenz von Brutto-Masse minus der Tara-Masse ergibt sich die Netto-Masse des Erdgases. 7. Das Erdgas aus dem Kolbenprober wird durch Einleiten in den Luftschacht eines brennenden Gasbrenner entsorgt. |
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6. Dichtebestimmung von Erdgas Die Bestimmung der Dichte von Kohlenstoffdioxid erfolgt in gleicher Weise wie die von Erdgas. Im gegensatz zur Dichtebestimmung von Erdgas besteht hier keine Gefährdung durch brennbares Gas, dafür muss jedoch der Umgang mit einer Druckgasflasche bekannt sein und die entsprechenden Sicherheitsbestimmungen für das Befestigen als Schutz gegen Umfallen eingehalten werden.
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Bestimme die Dichte von Erdgas aus dem angezeigten Netto-Wert von 180 mL Erdgas und vergleiche sie mit dem von Luft. Was würde mit einem Luftballon geschehen, der mit Erdgas gefüllt würde? Warum ist das jedoch sehr gefährlich und darf deshalb nicht ausprobiert werden? Informiere dich über den Begriff "Explosionsgrenzen"
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Warum hat man früher die Zeppeline mit dem Gas Wasserstoff gefüllt?
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Warum füllt man die neuen Luftschiffe mit Helium?
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Informiere dich über die Besonderheiten der Informiere dich über die Eigeschaften des Gases |
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Klaus-G. Häusler Copyright 2005-2015 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; www.halbmikrotechnik.de
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Literatur:
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