Density and Laboratory Measurements

Density and Laboratory Measurements    This exercise, which covers density, unit conversions, and dimensional analysis, is intended to review basic  l...
Author: Miles Higgins
14 downloads 1 Views 971KB Size
Density and Laboratory Measurements    This exercise, which covers density, unit conversions, and dimensional analysis, is intended to review basic  laboratory techniques and facilitate the development of problem solving and critical thinking skills through  collaborative learning and interactive application.  Please perform thoughtful discussions with your laboratory  group while performing the requested measurements and calculations.  Although this lab activity is designed to  be a group exercise, each person will submit their own Data and Question Sheet for assessment.  You must  show all of your work to receive full credit!   

Common Laboratory Equipment   

Locate your assigned glassware and hardware drawers.  Many of the items contained in these drawers are  pictured below in Figure 1.  Select laboratory equipment (such as pipets, burets, volumetric flasks, filter flasks,  Büchner funnels, etc.) will be provided as needed.  Ring stands and Bunsen burners are stored in the  laboratory; however their location varies from room to room.  Locate where these items are stored in your lab.   You will be using them next lab period!    1. Beakers   2. Erlenmeyer Flasks    3. Volumetric Flask    4. Filter Flask    5. Graduated Cylinders   6. Wash Bottle    7. Test Tubes    8. Test Tube Brushes    9. Test Tube Holder    10. Watch Glasses  11. Funnels    12. Büchner Funnel    13. Evaporating Dish    14. Crucible and Lid    15. Crucible Tongs    16. Spatula    17. Scoopula    18. Buret    19. Volumetric Pipet    20. Graduated Pipet    21. Stirring Rod  22. Ring Stand    23. Double Buret Clamp   24. Iron ring    25. Clay Triangle    26. Extension Clamp    27. Utility Clamp    28. Clamp Holder    29. Wire Gauze    30. Bunsen Burner    31. Flint Striker    F  igure 1. Common laboratory glassware and equipment. 1   

Chemistry is an experimental science that relies on careful measurements and the proper recording,  evaluation, and analysis of the collected data.  Making accurate and meaningful scientific measurements  requires an understanding of basic laboratory techniques and the proper use of common laboratory  equipment and instrumentation.  The following activities are meant to help you become familiar with the use  of some of the laboratory equipment shown in Figure 1.  The experiments included in this exercise emphasize  volume measurements, mass measurements, and the concept of density.  The data collected during these  experiments should be recorded in the accompanying Data and Question Sheet.  This sheet must be completed  and submitted at the beginning of the next laboratory period.     

Determining Densities from Laboratory Measurements    

As indicated in Equation 1, the density of a substance is its mass divided by its volume.    Mass Density =                                                                              (1)  Volume   Density is an intensive property, which means that this property is independent of the quantity or amount of  material present.  The density of pure water (H2O) is 1.0000 g/mL at 4 °C.  It is slightly less than this at room  temperature (0.9970 at 25 °C).  In the first part of this activity (Part A), you will determine the density of  deuterated (or heavy) water and compare it with the density of “normal” water at the same temperature.  In  Part B, you will determine the density of a 40% w/w sugar solution and then use your experimental results to  predict whether or not a golf ball should float in this solution.  In Part C of this experiment, you will determine  the identity of an unknown metal bar by measuring its density.  In this case, two different methods will be used  to determine the volume of the metal sample.  In the final part of this activity (Part D), you will be asked to  estimate the thickness of two types of aluminum foil using the density of aluminum metal and the equipment  and materials available in the laboratory.  After each experimental activity, the resulting density  measurements will be evaluated and, in some cases, compared with literature values.  A series of questions  will also follow each experiment.  All data, calculations, and question responses should be included on your  Data and Question Sheet.     

Part A: Comparing the Densities of “Normal” Water and Deuturated (or Heavy) Water   

The chemical formula of water is H2O.  This means that each molecule of water consists of 2 hydrogen atoms  and a single oxygen atom.  In deuterated water (D2O), the hydrogen atoms are replaced with deuterium atoms.   Deuterium is an isotope of hydrogen.  As discussed in Section 2.3 of your textbook, isotopes of a given element  have the same number of protons, but different numbers of neutrons.  The nucleus of a hydrogen atom  consists of only a single proton.  A deuterium atom, on the other hand, has one proton and one neutron in the  nucleus.  Thus, deuterium atoms have the same number of protons as hydrogen atoms, but they are twice as  heavy due to an added neutron.    The density of a substance can be determined by a variety of methods.  In this experiment, the densities of  “normal” water and deuterated water will be determined from a series of mass and volume measurements.   First, the mass of a clean, dry graduated cylinder will be determined using a laboratory balance.  Graduated  cylinders are used for measuring approximate volumes of liquids.  A specific volume of distilled water will be  added to the cylinder, and the mass of the cylinder/water system will be measured.  The mass of the water will  be calculated by subtracting the mass of the empty cylinder from the mass of the cylinder and water.  The  measured volume and the calculated mass will then be used to determine the density of water at a particular  2   

temperature.  This procedure will be repeated for deuterated water.  A step‐by‐step procedure is given below.   Please follow this procedure and complete the Data and Question Sheet as prompted.      Procedure: Part A   

1. Obtain approximately 15 mL of distilled water.  Measure the temperature of this water using the  thermometers or temperature probes that are provided.  Record this temperature on your Data and  Question Sheet.   

2. Measure the mass of an empty, dry 10 mL graduated cylinder.  Please read the instructions shown  below before using the electronic balances that are available in the lab.  Your TA may also provide you  with additional instructions regarding the proper use of these balances.  Record the cylinder mass on  your Data and Question Sheet.      Using an Electronic Balance to Measure the Mass of the Graduated Cylinder    1. With the balance pan empty and all doors completely closed, press the    On/Off/Tare bar.    2. When the display reads 0.0000 g, gently place the graduated cylinder on the center    of the balance pan.    3. Close all balance doors.    4. The mass reading will likely fluctuate briefly before stabilizing.  When the mass    reading stabilizes, record this value.         

3. Carefully remove your graduated cylinder from the balance.   

4. Add 10 mL of distilled water to the cylinder.  Instructions for reading the volume of a liquid in a  graduated cylinder are provided below.  In this case, the very bottom of the meniscus should just  touch the 10 mL line.  Record the water volume on your Data and Question Sheet.  This measurement  should be written with the appropriate number of significant figures.      Measuring Volume with a Graduated Cylinder          The surface of a liquid in a glass cylinder exhibits a      definite curvature, called a meniscus.  For most      liquids, this curvature is concave (downward), and      the bottom of the meniscus is used for reading the      volume (as shown in the picture on the right).      However, the surfaces of certain liquids, such as      mercury, form convex (upward) curves.  In these      cases, you must read the top of the meniscus.          When reading volumes on a graduated cylinder,      your eye must be level with the bottom of the      meniscus in order to observe the correct volume.      Errors in measurement (called parallax error) will      result if your eye is above or below the meniscus.      Volume measurement should be recorded with    the appropriate number of significant figures.  3   

5. Weigh the cylinder + 10 mL of water.  Record this mass on your Data and Question Sheet.   

6. Calculate the mass of water in the graduated cylinder.  Record this mass (with the appropriate  significant figures) on your Data and Question Sheet.  Show your work in the Calculations column.   

7. Determine the density of water using the volume and mass data.  Record this density (with the  appropriate significant figures) on your Data and Question Sheet.  Show your calculations in the  Calculations column.   

8. Repeat this procedure with deuterated water.             

IMPORTANT: When you are finished with the deuterated water, please pour  all of it back into the original reagent bottle.  DO NOT pour “normal” water  into the deuterated water container as this will contaminate the sample and  lead to anomalous results in future investigations. 

   

Part B: Determining the Density of a 40% w/w Sugar Solution   

In this part of the exercise, you will make a 40% w/w sugar solution and determine the density of this solution  using a procedure similar to that used in Part A.        Note:  The term w/w is an abbreviation for “by weight.”  Therefore, the % w/w of a    substance (A) in a mixture is given by:      mass of A in the mixture × 100                         % w/w A in a mixture =   total mass of mixture     In Part A, volume was measured with a graduated cylinder.  In this activity, volume will be measured using a  volumetric pipet.  Volumetric (or transfer) pipets are used for delivering a single, fixed volume of liquid.   Volumetric pipets are calibrated with only one mark and are available with capacities ranging from 1 ‐ 200 mL.   Your TA will show you how to properly use a volumetric pipet (the diagram in Figure 2 may also prove useful).                              4   

  Figure 2. Using a volumetric pipet.

A step‐by‐step procedure for this part of the exercise is given below.  Please follow this procedure and  complete the Data and Question Sheet as prompted.      Procedure: Part B   

1. Make a 40% w/w sugar solution.  Detailed instructions for preparing this solution are given below.   

a. Weigh out 80 g of sugar.  Set this sample aside.    Note:  The analytical balances in the balance room have a sensitivity of ±0.0001 g and    measure a maximum weight of 151 g.  The electronic balance at the front of the lab room    has 0.01 g precision and a 1500 g weight capacity.       

b. Use a graduated cylinder to measure out 120 mL of distilled water.   

c. Transfer the water to a 400 mL beaker.   

d. Slowly add sugar to the beaker while stirring the solution with a glass stirring rod or a magnetic  stirrer (recommended).  Your TA will give you instructions on how to use this device.  Some general  guidelines are given below.  Continue stirring the solution until all of the sugar has dissolved.                               

General Guidelines for Using a Magnetic Stirrer   



  ‐

  ‐

Take care when adding a stir bar to your solution to avoid cracking or breaking the  glass container.  This can be accomplished by tilting the beaker and gently sliding the  stir bar along the beaker wall.  This technique should also minimize splashing and  prevent sample loss.  The stirrer should not be turned on until after you have placed the beaker on top of  it.  Once you turn on the stirrer, carefully increase the stirring rate so that the  solution is being thoroughly mixed.  Do not stir the solution too rapidly as splashing  and poor mixing may result.  Please return the magnetic stir bars when you are finished with them.  DO NOT  POUR THEM DOWN THE SINK OR PUT THEM IN THE TRASH!! 

 

  2. Measure the mass of an empty, dry 100 mL beaker.  Record the beaker mass on your Data and  Question Sheet.   

3. Using a 25 mL volumetric pipet, transfer 25 mL of the 40% sugar solution into the pre‐weighed 100 mL  beaker.  (Figure 2 outlines how to properly use a volumetric pipet.)  Record the sugar solution volume  on your Data and Question Sheet.  This measurement should be written with the appropriate number  of significant figures.     

4. Weigh the beaker + 25 mL of sugar solution.  Record this mass on your Data and Question Sheet.  Pour  the sugar solution back into the 400 mL beaker.   

5. Calculate the mass of sugar solution in the beaker.  Record this value on your Data and Question Sheet.   Show the associated calculation in the space provided.  5   

6. Determine the density of the sugar solution using your volume and mass data.  Record this value on  your Data and Question Sheet.  Show the associated calculation in the space provided.   

7. Repeat Steps 2‐6 two more times.   

8. Gently place a golf ball in the 40% w/w sugar solution and record your observations on the Data and  Question Sheet.   

9. Use your density values from trials 1‐3 to determine an average.  Record this value on your Data and  Question Sheet.     

Part C: Determining the Identity of an Unknown Metal   

Each group (or each person if time permits) will be given an unknown metal sample.  The purpose of this  exercise is to determine the identity of this metal from its measured density.  The density of the metal bar will  be determined by measuring its mass and volume.  In this experiment, two different techniques will be used to  measure the volume of the bar.  A technique called liquid displacement (or volume displacement) will be used  first.  In this method, the volume of the metal sample will be determined by immersing the bar in water and  accurately measuring the volume of water that is displaced.  In this case, the volume of the solid will equal the  volume of water that is displaced.  Since the unknown metal bar has a cylindrical shape, its volume can also be  determined from its height (h) and radius (r).  Recall:  Vcylinder = πr 2h .  Thus, a ruler will be used to measure the  height and diameter (d = 2r) of the metal cylinder, and the volume of the bar will be determined by  substituting these values into the equation shown above.  A step‐by‐step procedure for this part of the  exercise is given below.  Please follow this procedure and complete the Data and Question Sheet as prompted.      Procedure: Part C   

1. Obtain an unknown metal cylinder from your TA.  Each unknown is marked with a different letter.   Record this letter on your Data and Question Sheet.   

2. Measure the mass of your unknown metal bar.  Record this mass on your Data and Question Sheet.   

3. Determine the volume of the metal bar using the volume displacement method.  Specific instructions  are given below.   

a. Add approximately 50‐60 mL of water to a 100 mL graduated cylinder.  Record the “initial” volume  of the water in the space provided on your Data and Question Sheet.  This volume should be  recorded with the appropriate number of significant figures.   

b. Slightly tilt the graduated cylinder and carefully slide the metal sample down the inside surface of  the cylinder.  Take care when doing this to avoid breaking the glassware and/or splashing any of  the water out of the cylinder.   

c. When the metal sample is completely immersed in the water, tilt the cylinder upright and set it on  the lab bench.  Record the “final” water volume in the space provided on your Data and Question  Sheet.  This volume should be recorded with the appropriate number of significant figures.   

d. Calculate the volume (in mL) of the metal bar by subtracting the “initial” water volume from the  “final” water volume.  Show your calculation and record your findings on your Data and Question  Sheet.  6   

e. Convert your volume from mL to cm3.  Recall: 1 mL = 1 cm3.  Record this volume on your Data and  Question Sheet.   

4. Determine the volume of the metal cylinder using ruler measurements and the formula for the volume  of a cylinder ( Vcylinder = πr 2h ).   

a. Use a ruler to measure the height (h) and diameter of the bar in inches.  Record these dimensions  on your Data and Question Sheet.  Make sure that your data is reported with the appropriate  number of significant figures.   

b. Calculate the radius (r) of the bar from your diameter measurements.  Record this information on  your Data and Question Sheet.   

c. Calculate the volume of the metal bar in units of in3.  Show your work in the Calculations section  and record your results on your Data and Question Sheet.   

d. Convert your volume from in3 to cm3.  Recall: 1 in = 2.54 cm.  Show your work in the Calculations  section and record your results on your Data and Question Sheet.   

5. Calculate the density (in g/cm3) of the metal bar based on your mass measurements and your two  different volume measurements.  Show your work in the Calculations section and record your results  on your Data and Question Sheet.   

6. Return your unknown metal to your TA.     

Part D: Determining the Thickness of Aluminum Foil   

A variety of aluminum foils are available in the laboratory.  Devise a method to determine the thickness (in  mm) of two different types of aluminum foil using the density of aluminum (dAl = 2.70 g/cm3) and the  equipment and materials that are available to you in the laboratory.  Conduct your proposed experiments.   Please perform two trials for each foil sample.    A description of your approach and all associated measurements and calculations must be included on your  Data and Question Sheet.  Make sure that that you record the types of aluminum foil (e.g., standard Reynolds  Wrap® and Heavy Duty Reynolds Wrap®) that you investigated.  All data should be reported with the  appropriate number of significant figures.  The proper units should be included on all of your measurements  and calculated quantities.     

7   

Suggest Documents