การทดลองที่ 7 การหาค่าคงที่ของแก๊ส

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ
ปรับปรุงล่าสุด: 23 พฤษภาคม 2563
[Lab Menu]

1. เพื่อฝึกทักษะการทดลองเกี่ยวกับกฎของแก๊ส
2. เพื่อฝึกทักษะการคำนวณหาค่าคงที่ของแก๊ส

• บทปฏิบัติการ [pdf]
• รายงานการทดลอง [pdf]

แก๊ส เป็นสถานะหนึ่งของสสาร (อันได้แก่ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา) ซึ่งจะกลายเป็นของแข็งได้เมื่ออุณหภูมิลดลง การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็ง เป็นของเหลวและแก๊ส ประเภทของแก๊สแบ่งได้เป็น 2 ประเภทดังนี้

1) แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) หรือแก๊สสมบูรณ์ เป็นแก๊สที่ นักวิทยาศาสตร์กำหนดขึ้นเพื่ออธิบายสมบัติต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับแก๊ส โดยให้มีพฤติกรรมเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สไม่ว่าที่อุณหภูมิหรือความดันใด แก๊สสมบูรณ์เป็นแก๊สที่ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล

2) แก๊สจริง (Real gas) เป็นแก๊สที่มีอยู่จริงในธรรมชาติ และไม่เป็นไปตามกฎต่าง ๆ ของแก๊สสมบูรณ์ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย แต่ในบางสภาวะแก๊สจริงอาจมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สสมบูรณ์ได้ คือที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำมาก ๆ แก๊สจริงที่มีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สสมบูรณ์ในสภาวะปกติมากที่สุดคือแก๊สเฉื่อยหรือแก๊สในหมู่ที่

สมการแก๊สสมบูรณ์แบบ

PV = nRT                                  (7.1)

เมื่อ P = ความดัน (atm)
V = ปริมาตร (L)
n = จำนวนโมล (mol)
T = อุณหภูมิ (K)
R = ค่าคงที่ของแก๊ส (gas constant)

ในการทดลองเกี่ยวกับกฎของแก๊สอาศัยการทดลองการเตรียมแก๊สไฮโดรเจน จากปฏิกิริยาระหว่าง Mg กับ HCl ดังสมการ

Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)               (7.2)

ซึ่งแก๊สที่เกิดขึ้นเป็นแก๊สจริง (real gas) ทำการทดลองโดยเก็บแก๊สโดยการแทนที่น้ำ จากค่าปริมาตร อุณหภูมิ ความดัน และจำนวนโมลของแก๊ส จะสามารถหาค่า R ได้ ในการทดลองนี้เลือกใช้ปฏิกิริยาระหว่าง Mg กับ HCl (สมการ 7.2) จะเห็นได้ว่า Mg จำนวน 1 โมล ทำปฏิกิริยาพอดีกับ HCl จำนวน 2 โมล แล้วเกิด H₂ 1 โมลด้วย ปฏิกิริยาหนึ่งๆ สารกำหนดปริมาณ อาจจะเป็นสารตัวใดก็ได้ ที่เป็นตัวเข้าทำปฏิกิริยาและเป็นตัวจำกัดให้ปฏิกิริยาสิ้นสุดลง
ความดันของแก๊สไนโตรเจน ที่เก็บโดยการแทนที่น้ำ ได้จากการหักค่าความดันไอน้ำอิ่มตัว (vapor pressure of water) ดังตารางที่ 7.1 ออกจากค่าความดันบรรยากาศที่อุณหภูมิเดียวกันกับอุณหภูมิของแก๊ส

ตารางที่ 7.1 ค่าความดันไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิต่าง ๆ

อุปกรณ์

1. บิวเรต
2. ขวดรูปชมพู่ 250 mL
3. จุกยางพร้อมหลอดแก้วและสายยางนำแก๊ส
4. กระบอกตวง
5. บีกเกอร์
6. ท่อแก้วรูปตัวยู
7. เทอร์โมมิเตอร์

สารเคมี

1. ลวดแมกนีเซียม (Mg) ขัดผิวด้วยกระดาษทราย ตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ
2. สารละลาย HCl 1.0 mol/L

การจัดเตรียมเครื่องมือการทดลอง

• เตรียมอุปกรณ์การทดลองดังภาพที่ 7.1 ควรจะล้างขวดรูปชมพู่ให้สะอาด คว่ำบิวเรตลงในบีกเกอร์ขนาด 250 mL ที่บรรจุน้ำประมาณ 200 mL โดยให้ปลายบิวเรตครอบท่อนำแก๊สที่ปลายอีกด้านมีจุดยางปิดปากขวดรูปชมพู่ได้สนิท
• ควรระมัดระวังในการอ่านปริมาตรน้ำเพราะเป็นการอ่านกลับข้างของตัวเลขที่ปรากฏอยู่ที่ด้านข้างของบิวเรต ถ้าระดับน้ำอยู่ที่ 50.00 mL ก็แสดงว่าปริมาตรของน้ำในบิวเรตเป็น 50.00 mL เมื่อมีการแทนที่น้ำด้วยแก๊สที่เกิดขึ้นจากการทดลอง ปริมาตรของแก๊สจะเท่ากับผลต่างของปริมาตรของน้ำในบิวเรตตอนเริ่มต้นและตอนที่ปฏิกิริยาสิ้นสุดแล้ว

ภาพที่ 7.1 การจัดอุปกรณ์ที่ใช้ในการหาปริมาตรของแก๊ส

การทดลองการเตรียมแก๊สไฮโดรเจน

1. ชั่งลวดแมกนีเซียม หนักประมาณ 0.02xx-0.03xx g
2. ตวงสารละลาย HCl 1.0 mol/L ปริมาตร 10.0 mL ด้วยกระบอกตวงใส่ในขวดรูปชมพู่ขนาด 250 mL แล้ววัดอุณหภูมิสารละลายในขวดรูปชมพู่ก่อน
3. ใส่ลวด Mg แล้วปิดจุกทันที (ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นทันทีเมื่อ Mg สัมผัสกับสารละลาย HCl) เขย่าขวดรูปชมพู่จนกระทั่งไม่มีแก๊สเกิดขึ้น สังเกตจาการแก๊สที่ไปแทนที่น้ำในบิวเรต
4. จดปริมาตรของน้ำที่หายไป (หน่วย mL)
5. ใช้ไม้บรรทัดวัดความสูงของน้ำที่เหลืออยู่ในบิวเรตจากระดับน้ำที่อยู่ในบีกเกอร์ (หน่วยเป็นเซนติเมตร)
6. วัดอุณหภูมิของน้ำในบีกเกอร์ (อนุมานว่าเป็นอุณหภูมิของแก๊ส)

1. การหาจำนวนโมล
จากปฏิกิริยา จะได้ว่า จำนวนโมลของแก๊สไฮโดรเจน เท่ากับ จำนวนโมลของ Mg
ดังนั้น       mol Mg = น้ำหนักลวด Mg / น้ำหนักอะตอม Mg

2. การคิดความดันของแก๊ส (ที่ถูกต้อง) ตามภาพที่ 7.2

สมดุลของความดัน

P_atm  =  P_gas + P_H2O + P_h
P_gas  =  P_atm – P_H2O – P_h                     (7.4)

เมื่อ      P_gas  = ความดันของแก๊ส H₂
P_atm  = ความดันบรรยากาศ
P_H2O = ความดันอิ่มตัวของน้ำที่อุณหภูมิหนึ่งๆ
P_h    = ความดันเนื่องจากน้ำสูง h (cm) ที่เหลือในบิวเรต

ภาพที่ 7.2

ค่า P นี้จะถูกต้องเมื่อระดับน้ำในบิวเรตที่เก็บแก๊สเท่ากับระดับน้ำในบีกเกอร์ แต่ในการทดลองแก๊สแทนที่น้ำได้ไม่หมด ทำให้ระดับน้ำในบิวเรตสูงกว่าระดับน้ำในบีกเกอร์ (ตามภาพที่ 7.2) ดังนั้นจึงต้องใช้สมการ (7.4) เพื่อหาความดันของแก๊สที่ถูกต้อง
ระดับน้ำสูง  1  เซนติเมตร เป็นความดัน  98.088  Pa
ระดับน้ำสูง  h  เซนติเมตร เป็นความดัน  98.088 x h  Pa
กำหนด 760.00 mmHg = 1.01×10⁵ Pa น้ำสูง 1 cm จะมีความดันเท่ากับ 98.088 Pa

3. การหาค่าคงที่ของแก๊ส (R) จากสมการแก๊สอุดมคติ  PV = nRT

หาค่า R ได้จากสูตร

R จะอยู่ในหน่วย J/mol K
เมื่อ
n  =  จำนวนโมลของแก๊สที่เกิดขึ้น
P  =  ความดันของแก๊สในหน่วย Pa
V  =  ปริมาตรของแก๊สในหน่วย m³ ซึ่งมีค่าเท่ากับปริมาตรของน้ำที่ถูกแทนที่
T  =  อุณหภูมิของแก๊ส ในหน่วยเคลวิน (K)

4. การคำนวณร้อยละความเบี่ยงเบน (%R) 

% ความเบี่ยงเบน = (R-8.314/8.314) x 100

^Go to Top^