気体の状態方程式によるシクロヘキサンの分子量測定

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丸底フラスコ内の余剰のシクロヘキサンを気化させます。いったん気化したシクロヘキサンが上部で冷やされて、ビーカー内壁を伝わって落ちていく様子がわかります。これが観察されなくなれば、余分なシクロヘキサンは出て行ったとみなすわけです。その後、フラスコ全体の質量を測定し、存在するシクロヘキサンの質量を求め、気体の状態方程式で分子量を算出します。

「実験理論」

• 沸点が水によって温度を保つことが可能な範囲にある物質の場合、気体の状態方程式によって分子量を求めることが可能である。

 pV = nRT  

実験としては、気体の状態を一定気圧P・温度Tを保ち、その気圧の体積Vと質量m〔g〕がわかれば、物質量(n=m/M)から分子量M〔g/mol〕を求めることができる。

pV = (m/M)RT

• 容器全体の質量m₁をあらかじめ計測しておく。気体となりやすい物質を容器に入れ、その成分がすべて気体となって容器の中に充満している状態(気体の状態方程式が成り立つ)を作り出す。余分の物質は、気化して容器の外部に出ていってしまうので、実際に気体になって充満していた物質の質量mは、実験後の容器全体の質量m₂から質量m₁を差し引いた値となる。
• 容器内の物質の質量m = m₂ – m₁

• ただし、質量m₂はシクロヘキサンがすべて液化して体積0となると仮定している。実際には、シクロヘキサンはすべて液化するわけではなく、一部(蒸気圧分)が空気を追い出している。従って、その蒸気が占めている空気の質量m₃に相当する分を加えておく必要がある。(浮力の影響を排除)

正確には、  m = m₂  – m₁ + m₃

m₂ は、 空気の密度d×フラスコ容器v×シクロヘキサン蒸気の占める割合(シクロヘキサン蒸気圧/大気圧)で求まる。

・空気の密度d：1.17 g/cm³

・フラスコ容器体積v：100 mL(cm³)

・シクロヘキサン蒸気圧：1.2×10⁴ Pa

・大気圧：1.01×10⁴ Pa

上記の数値から1.39×10^-4 gと求まるが、精密電子天秤の精度では検出できないほど小さいため、実際の計算上では無視できると考察しておく。　→　この部分は「考察」で再度述べておくとレベルが上がる。

「準　備」

【使用器具】

100 mL丸底フラスコ　アルミホイル(キャップ用)　精密電子天秤　スタンド　500 mLビーカー　温度計　1 mL駒込ピペット

【使用試薬】

シクロヘキサン C₆H₁₂ 約1 mL

「操　作」

• 100 mL丸底フラスコとアルミホイルのキャップホイルの合計質量m_１を精密電子天秤(設置台には樹脂リングを用いる)にて計測しておく。
• 丸底フラスコの保温槽をつくる。スタンド・500 mLビーカー水・温度計で構成する。
• 丸底フラスコに1 mL用駒込ピペットを用いてシクロヘキサン1 mLを入れる。アルミホイルのキャップをして、中央部分に小さなピンホールを空けておく。
• 水温を85-90 ℃に保つ。過剰なシクロヘキサンがピンホールから放出されたころを見計らって、フラスコをホイルがついたままの質量m₂を計測する

「工夫と注意・片付けなど」

• 過剰のシクロヘキサンが揮発してくるので換気を十分に行う。残液は、有機廃液の指定容器へ。
• 加温前と加温後のフラスコの状態が変わらない状況に保つ。

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対にしないで下さい。詳細は、次の３書(管理者の単著作物)でも扱っているものがありますので参考になさってください。