Feladat: 190. fizika mérési feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Gál Tamás ,  Ivády Balázs ,  Kocsis Bence ,  Kovács Krisztián ,  Lazányi János ,  Mach Tivadar ,  Náfrádi Balázs ,  Patay Gergely ,  Somorácz Áron 
Füzet: 1998/február, 124 - 125. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Hőtani mérés, Kémiával kapcsolatos feladatok, Mérési feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1997/szeptember: 190. fizika mérési feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A mérést legegyszerűbben úgy lehet elvégezni, hogy egy nagyobb edényben (akváriumban, üvegtálban) valamilyen eszközzel (pl. vízzel teli, a szájával lefelé fordított mérőhengerrel) felfogjuk a fejlődő gázt s a mérőhenger beosztásán leolvassuk a gáz térfogatát. Ha nem áll rendelkezésre mérőhenger, akkor ismert (megmért) belső átmérőjű edényben felfogva a gázt a gázoszlop magasságából kiszámíthatjuk a térfogatát. Megtehetjük azt is, hogy egy alul kilyukasztott nyitott műanyagflakont egy kicsit nagyobb átmérőjű, vízzel töltött edénybe helyezünk. Miután a lyukon beáramló víz hatására a vízszint azonos magasságra áll be, a flakonba összemorzsolt pezsgőtablettát ejtünk, majd a kupakot szorosan rácsavarjuk. A keletkezett gáz a flakonból kiszorítja a víz egy részét, melynek térfogatát hosszúságméréssel könnyen meg lehet határozni.
A mérés akkor lesz utólag ellenőrizhető, más mérésekkel összevethető, ha a körülményeket minél pontosabban leírjuk. Fontos, hogy meghatározzuk (de legalább a dobozon levő adatok alapján lejegyezzük) a pezsgőtabletta tömegét, megmérjük a víz hőmérsékletét, és ha módunkban áll, meghatározzuk a külső légnyomást is.
Akik többször megismételték a mérést (sajnos ennek korlátot szab a pezsgőtabletták nem elhanyagolhatóan kicsi ára), megfigyelhették, hogy a keletkező gáz mennyisége erősen ingadozik, általában a később elvégzett kísérleteknél egyre növekedett. Sokan rájöttek arra, hogy ez a vízben oldódó gáz (szén-dioxid) miatt van. Ez igen erősen (akár 100 százalékkal is) befolyásolhatja a mérési adatokat, vagyis a mérésben igen jelentős szisztematikus hibát okoz. (Emellett a vízszint változásából adódó nyomásváltozás ‐ amit sokan számításba vettek, vagy az edények emelgetésével megpróbáltak kiküszöbölni ‐ szinte teljesen elhanyagolható a külső légnyomás mellett.)
Az első ,,feloldott'' tablettából még jelentős mennyiségű szén-dioxid oldódik be a vízbe, a továbbiakból már egyre kevesebb, a közvetlenül megmérhető, kibugyborékoló gáz mennyisége tehát egyre többnek adódik. Kocsis Bence (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn. 12. évf.) megfigyelte, hogy a színes (málna ízű) tabletta csak a felfogóedényben festette meg a vizet, a külső tartályban nem. A tablettákat (fél tabletta egységekben növelve) sorozatban oldotta fel, s vizsgálta a keletkező gáz mennyiségének függését a tabletta sorszámától, majd a telítésbe hajló görbéből következtetett a vízben maradó gáz mennyiségére. Gál Tamás (Zalaegerszeg, Ságvári E. Gimn. 11. évf.) két különböző mennyiségű vízben oldott fel tablettákat, s a keletkező gázból ‐ feltételezve, hogy a vízben maradó gázmennyiség a víz térfogatával arányos ‐ kiszámította a szisztematikus hiba nagyságát, és a számított értékkel korrigálta a mérési eredményeit. Kovács Krisztián (Nagykanizsa, Batthyány L. Gimn. 12. évf.) is különböző térfogatú edényekben oldva mérte a keletkező gáz térfogatát. Átlagolt mérési adatai: 380cm3-es edényben 18, 240cm3-es edényben 50, végül 180cm3-es edényben 85cm3 gázt fejlődését észlelte. A gáz térfogatát a víz térfogatának függvényében ábrázolva közel lineáris függvényt kapott, amit a nulla (értelemszerűen: nagyon kicsiny) víztérfogatra extrapolálva az összes keletkező gázra a 140‐150 cm3-es becsült értéket kapta. Érdemes megfigyelni, hogy ez a mennyiség mintegy nyolcszorosa (!) a legnagyobb (a gázt leginkább feloldó) vízmennyiségnél megfigyelhető gáz térfogatának.
Lazányi János (Debrecen, KLTE Gyak. Gimn. 12. évf.) különböző hőmérsékletű vízbe helyezett pezsgőstablettákat. A folyadékokban oldott gáz mennyisége erősen függ a hőmérséklettől. (Melegebb folyadékban kevésbé oldódnak a gázok, ezért lehet ,,kiforralni'' a vízből a levegőt, szén-dioxidot stb.) A hőmérséklet függvényében változó gázfejlődési adatokból következtetni lehet a folyadékban maradó gáz mennyiségére is.
A vízben oldott gáz mennyiségét ‐ a pezsgőtabletta kémiai összetételének és a reakció egyenletének ismeretében ‐ számítással is meg lehet határozni. (Táblázatból kikereshetjük a szén-dioxid oldhatóságát a kísérleti körülményeknek megfelelő nyomáson és hőmérsékleten, majd az eltávozó gáz mennyiségének ismeretében kiszámíthatjuk az oldatban maradó hányadot.)
Több versenyző úgy próbálta csökkenteni a vízben oldott szén-dioxid mennyiségét, hogy egy lombikban csak kevés vizet juttatott a tablettára, s a keletkező gázt hosszú, vékony műanyagcsőbe vezette. A csőben kicsiny ,,vízdugó'' jelezte a térfogatváltozást, de számottevő mennyiségű gázt nem tudott feloldani.
Néhányan tömegméréssel próbálkoztak: az oldás előtti és utáni tömegek különbségéből határozták meg az eltávozott gáz mennyiségét. Ez elvben jó, gyakorlatilag azonban nehezen megvalósítható eljárás. A kis különbségek miatt igen pontos mérlegre van szükség, és pl. a folyadék párolgását is figyelembe kell vennünk, továbbá a vízben feloldódó gáz problémája itt is jelentkezik.