Question

В чем ошибся студент, получив неверную массу синтезированного вещества?

Студенту понадобилось синтезировать некое вещество Х (его формула и строение известны - случай реальный, но для решения задачи не нужны). В руководстве он нашел методику синтеза. В соответствии с ней, продукт нужно высушить в высоком вакууме. Студент получил вещество Х и поместил его в стеклянную ампулу, которую подсоединил к вакуумной установке. После нескольких часов откачки он отпаял ампулу (ее объем был 70 куб.см) и взвесил ее на точных весах (получилось 31,681 г). Затем он аккуратно вскрыл ампулу, отрезав ее кончик, а чтобы узнать массу вещества, взвесил осколки ампулы (получилось 31,567 г). По разности результатов двух взвешиваний студент получил массу продукта (0,114 г), но... сильно ошибся. В чем была его ошибка? Какова на самом деле масса полученного вещества?

Answer 1

il63. Я уверен, что большинство людей (и не только не химиков, но даже и большинство химиков) не знакомы с термином "отпаял", поэтому не поймут, в чём же загвоздка. Вот если бы Вы объяснили, что термин "отпаял" означает, что не отсоединяя ампулу от вакуумной установки, небольшой участок ампулы расплавили, создали в этом месте узкое горлышко, и в этом месте оторвали от вакуумной установки, не нарушая при этом вакуума в самой ампуле. Вот тогда даже не химики поймут, что масса вакуумированной ампулы с веществом в ней, меньше, чем масса осколков вскрытой ампулы и вещества на массу 70 см^3 воздуха, или примерно на 0,1 г.

Answer 2

Конечно автор вопроса ожидает ответ , который только что дан . Я еще раз повторю , что по мнению преподавателя и автора вопроса студент не прав , так как не учел вес воздуха. В вашу защиту скажу что автор вопроса довольно доходчиво изложил ситуацию и понятие отпаял должно быть знакомо любому ученику посещающему уроки химии в средней школе, ведь в учебнике химии приводится реторта в запаянном состоянии. С другой стороны позволю не согласится с обвинениями в сторону ученика. Так как этот ученик возможно стал бы в один ряд с Дальтоном или Менделеевым. Дело в том , что прав студент , а не преподаватель и вес , который он определил нужно считать верным. Я не буду вдаваться в высокую науку, а постараюсь объяснить на пальцах . Возьмем и повторим опыт проведенный студентом несколько раз В первом случае у нас будет ампула объемом 70 куб. см. Во втором случае 30 см.куб. И в третьем случае ампулу объемом 15 куб. см. Если во всех опытах в точности повторять действия студента , то результат будет постоянным. Но если мы будем учитывать массу воздуха , которая у нас будет отличаться в разы, то результаты будут заметно отличаться. Так , что комментарии излишни.

Answer 3

Ещё в XVIII веке граф Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро "взвесил" воздух: откачанная колба весила меньше, чем та же колба с воздухом. (Как же всё-таки хорошо, что мои учителя имели "ужасную" привычку не только излагать сведения, факты, константы и правила, но ещё и рассказывать всяческие истории и байки "околонаучного" характера!).

Плотность воздуха составляет 1,2047 кг/куб.м (при условиях: 0 м над уровнем моря, температура 20 градусов по Цельсию). Поскольку 1 куб.м равен 1000000 куб.см, 1 кг = 1000 г - 1 куб.см воздуха весит 0,0012047 г. Масса воздуха, находящегося в ампуле объёмом 70 куб.см, составляет 70х0,0012047=0,084329 г.

Если бы студент (чистоты эксперимента ради) зафиксировал вес запаянной ампулы и вес вскрытой (в обоих случаях - БЕЗ исследуемого вещества) - разность как раз и составила бы эти самые 0,084329 г.

Так что из полученной студентом массы 0,114 г необходимо вычесть 0,084329 г. И получается, что масса вещества составляет 0,029671 г. А никак не 0,114 г. Нехиленькое такое отклонение!

Но!

Это тоже не есть точная масса вещества.

Сделав два-три взвешивания (непосредственно после вскрытия ампулы и через определённые промежутки времени), студент получил бы ... две-три разные массы. И после ломания головы на предмет "Почему" додумался (может быть) до правила, что уж если

то и взвешивать его тоже нужно в аналогичных условиях. Пусть не в вакууме, но хотя бы в условиях нолевой влажности воздуха. Потому что непосредственно после вскрытия ампулы с веществом стартуют процессы адгезии (прилипания к поверхности) и адсорбции (поглощения, диффузии вглубь вещества) молекул воды из воздуха. И если даже молекулы воды не вступают в химическую реакцию с полученным веществом, то массу изменят - вследствие "растворения" в веществе.

Answer 4

Извечный вопрос! Что тяжелее, килограмм ваты или килограмм железа? Студент не учел закон Архимеда, поэтому просто сделал вычисления без учета того, что вес закрытой ампулы с препаратом не равен весу осколков ампулы и препарата. Отсюда следует, что масса препарата должна быть больше примерно на величину силы Архимеда, которая равна произведению объема ампулы на удельный вес воздуха.