Über dieses Experiment
Stecke an einem Ende eines langen Glasrohrs einen mit Ammoniaklösung getränkten Wattebausch und am anderen Ende einen mit konzentrierter Salzsäure getränkten. Niemand bläst die Gase in das Rohr, und doch erscheint nach wenigen Minuten im Inneren ein weißer Ring aus Ammoniumchlorid. Der Ring befindet sich nicht in der Mitte: Er bildet sich näher am Chlorwasserstoffende, weil sich leichtere Ammoniakmoleküle schneller bewegen und in derselben Zeit weiter diffundieren. Führe das Experiment durch, ändere die Gase und das Rohr und vergleiche die Position des Rings mit der Vorhersage nach dem Graham'schen Gesetz.
Lernziele
- Beschreiben Sie Diffusion als die Nettoausbreitung von Teilchen von Bereichen hoher zu Bereichen niedriger Konzentration.
- Erklären Sie, warum sich der Ring näher am Ende mit Chlorwasserstoff bildet.
- Setzen Sie die Geschwindigkeit der Gasteilchen mit ihrer molaren Masse in Beziehung.
- Verwenden Sie das Graham-Gesetz, um vorherzusagen, wo sich zwei Gase treffen.
- Erklären Sie, warum die Diffusion über große Entfernungen langsam ist, obwohl sich Gasmoleküle sehr schnell bewegen.
Anleitung
- 1Starte das Standardexperiment. Wo erscheint der Ring? Miss seinen Abstand zu jedem Ende.
- 2Vergleiche die beiden Konzentrationskurven, bevor sich der Ring bildet. Welches Gas hat sich weiter ausgebreitet?
- 3Ersetze HCl durch HBr. Bewegt sich der Ring zum Säureende hin oder davon weg? Warum?
- 4Ersetze NH₃ durch Methylamin. Wie verändert sich die Position des Rings?
- 5Halbiere die Länge des Rohrs. Wie verändert sich die Zeit, bis der Ring erscheint? Ist sie halb so lang?
- 6Vergleichen Sie die Position des Rings mit der gestrichelten Vorhersage nach dem Graham-Gesetz.
Das Modell
Annahmen
- Jedes Gas diffundiert durch ruhende Luft entlang des Rohrs. Sein Diffusionskoeffizient nimmt mit der Quadratwurzel seiner molaren Masse ab, ausgehend von 0,23 cm²/s für Ammoniak.
- Die Wattepfropfen sorgen dafür, dass die Konzentration an beiden Enden konstant bleibt. Die beiden Gase kommen einander nicht in die Quere, bevor sie reagieren.
- Der Ring erscheint dort, wo das Produkt der beiden Konzentrationen erstmals einen festen Schwellenwert erreicht. Reale Ringe können sich um einige Zentimeter verschieben, abhängig von Luftströmungen und davon, wie stark die Stopfen getränkt sind.
- Das Rohr hat Raumtemperatur. Die Zeiten sind Echtzeitangaben; die Geschwindigkeitstasten ändern nur, wie schnell die Uhr auf dem Bildschirm läuft.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Gasmoleküle bewegen sich bei Raumtemperatur mit mehreren hundert Metern pro Sekunde. Warum dauert es Minuten, bis sich der Ring bildet?
- Q2Erkläre mithilfe der molaren Massen, warum sich der Ring näher am HCl-Ende bildet.
- Q3Sage voraus, wo sich der Ring in einem 60 cm langen Rohr mit NH₃ und HCl bilden würde.
- Q4Wie würde das Erwärmen des Rohrs die Zeit bis zur Ringbildung verändern?
- Q5Warum muss dieses Experiment in einem Abzug durchgeführt werden?
Häufig gestellte Fragen
Warum bildet die Simulation den Ring nicht genau dort, wo Graham es vorhersagt?
Das Graham-Gesetz beschreibt, wie Gase durch eine winzige Öffnung entweichen. In einem Rohr diffundieren Moleküle durch die Luft, und die Strecke, über die sie sich ausbreiten, wächst mit der Quadratwurzel der Zeit. Der Ring bildet sich dort, wo beide Gase ausreichend konzentriert sind, um zu reagieren. Dieser Punkt liegt nahe an der Schätzung nach dem Graham-Gesetz, stimmt aber nicht genau mit ihr überein.
Wie kann ich das reale Experiment sicher aufbauen?
Arbeite in einem Abzug, trage Schutzbrille und Handschuhe und verwende eine Pinzette, um gleichzeitig an jedem Ende eines trockenen Glasrohrs mit der jeweiligen Lösung getränkte Watte einzusetzen. Verschließe die Enden mit Stopfen und halte das Rohr ruhig und waagerecht.
Warum dauert es bei einem längeren Rohr so viel länger?
Die Diffusionsstrecke wächst mit der Quadratwurzel der Zeit. Um doppelt so weit zu gelangen, benötigen die Gase etwa viermal so lange. Daher dauert es bei doppelter Röhrenlänge etwa viermal so lange, bis der Ring erscheint.