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이공계실험 | 일반화학실험 | 액체의 몰질량 측정 | 의약품연구 | IT

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몰 질량 측정 실험

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[일반화학실험] 5. 몰질량(분자량) 측정 레포트

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1. 목표 : 이상기체 상태 방정식을 이용하여 일회용 가스라이터 속 기체와 아이소프로판올의 분자량을 측정할 수 있다.

2. 기구&시약

시약 : isopropyl acetate 또는 2-propanol(isopropyl alcohol) 또는 ethyl acetate

기구 : 100mL 둥근바닥 플라스크 또는 삼각플라스크, 500mL 비커, 10mL 눈금 피펫, 바늘, 온도계, 가열기(핫플레이트), 스탠드, 클램프, 링 또는 삼각대, 쇠그물망, 화학 저울, 알루미늄박, 종이수건, 50mL 눈금 실린더, 면장

3. 원리

(1) 몰질량 : 질량수 12인 탄소 12g에 들어 있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수라고하며, 아보가드로 수 만큼의 원자 또는 분자를 1몰이라고 정의한다.

(2) 기체의 분자량 구하기

이상 기체의 상태 방정식을 이용해 질량, 온도, 압력, 부피를 측정하면 분자량을 구할 수 있다.

증기의 온도 : 열평형을 가정해 물중탕의 온도로 측정한다. 그러므로 충분한 시간을 두어 열평형이 이루어지도록 해야 한다.

(3) 돌턴의 부분압력 법칙과 기체의 수상 포집

돌턴의 부분압력법칙 : 혼합기체가 나타내는 전체 압력은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같다.

돌턴의 부분 압력 법칙이 성립되는 이유 : 기체가 나타내는 압력이 기체의 종류에 관계없이 몰수(분자 수)에 의해서 결정되며, 기체 분자가 상호간에 어떠한 작용도 없이 독립적으로 움직이기 때문이다.

수상포집에 의해 모여진 기체 혼합물 압력 – 기체 방울이 물을 통과하는 동안 수증기와 섞이게 되며 , 모여진 기체 혼합물에서 기체의 전체 압력은 포집한 기체와 수증기에 의해 나타나는 분압의 합과 같다 . 수증기의 분압은 단지 온도에 의해서만 결정된다.

(4) 아이소프로판올 : 상온에서는 액체이지만 끓는점(82.4℃)이 비교적 낮아 기화시키기 쉽다.

4. 유의사항

아이소프로판올 실험에서 포일에 뚫은 구멍의 크기가 크거나 알루미늄 포일을 덮은 길이가 길어 물에 젖으면 오차가 크게 발생한다.

증발한 기체를 직접 흡입하지 않도록 조심하고, 실험실의 환기가 잘 되도록 유의한다.

가열된 플라스크 등에 화상을 입지 않도록 주의한다.

5. 실험과정

깨끗하게 씻어서 말린 100mL 둥근 바닥 플라스크에 알루미늄박으로 뚜껑을 만들어 씌우고, 바늘로 작은 구멍을 뚫는다. 구멍의 크기는 작을수록 좋다. (COMMENT: 알루미늄 포일로 덮어씌울 때, 플라스크의 입구만 겨우 감쌀 정도로 조금 사용한다.) 뚜껑을 덮은 플라스크의 무게를 화학 저울을 사용해서 정확하게 측정한다. 플라스크에 약 3mL의 액체 시료를 넣고 뚜껑을 다시 막고 스탠드에 고정시킨다. 500 mL 비커에 물을 절반 정도 채우고 끓을 때까지 가열한다. (COMMENT: 시간을 아끼기 위해 먼저 가열하고 1~3을 진행하는 것이 좋다. 플라스크를 비커의 바닥에 닿지 않을 정도로 물 속에 깊이 넣는다. (COMMENT: 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 굴절 때문에 기체가 새어 나가는 것을 관찰할 수 있다. 플라스크 속의 액체를 증발시킬 때는 비커의 물을 잘 저어 주며 플라스크 속으로 물이 들어가지 않게 유의한다.) 끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고, 플라스크 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다. 플라스크를 비커에서 꺼내면 안된다. 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 산란 때문에 기체가 새어 나오는 것을 관찰 할 수 있다. (휴대용 전지를 사용하면 좋다.) 플라스크의 액체가 모두 기화하면 잠시 기다린 후에 플라스크를 끓는 물에서 꺼내 식힌다. 플라스크는 매우 뜨거우므로 손으로 만지지 말고 면장갑을 끼고 꺼낸다. 플라스크 바깥에 묻어 있는 물기를 종이수건을 사용해서 완전히 닦아낸다. 바깥을 완전히 말린 플라스크와 뚜껑의 무게를 다시 측정한다. 플라스크를 깨끗하게 씻은 후에 증류수를 가득 채우고, 눈금 실린더를 사용해서 증류수의 부피를 측정하고 이 값을 이용해서 플라스크의 부피를 계산한다. 시간이 허용되면 위의 실험을 한 번 더 반복한다.

6. 실험 결과

– 아이소프로판올 이용했을 때(이론값 60.10)

1. 플라스크와 알루미늄 뚜껑의 처음 무게 : 48.6578 g

2. 식힌 플라스크와 알루미늄 뚜껑의 질량 : 48.9961 g

3. 응축된 시료의 무게 : 0.3383 g (COMMENT: 2에서 1을 빼야 한다. 책에는 반대로 나와 있으니 유의)

4. 끓는 물의 온도 : 88.5 ℃

5. 실험실 기압 : 1atm

6. 플라스크 부피 : 142 mL

7. 액체 시료의 몰질량 : 70.7 g

오차 약 17%

7. 고찰(생각해볼 사항)

(1) 이 실험에 사용하는 액체 시료는 어떠한 성질을 가지고 있어야 실험 목적에 가장 적합하겠는지 생각해보자.

– 끓는점이 비교적 낮아 기화가 잘 되어야 하며, 물에서 중탕을 하므로 물보다 끓는점이 낮아야 한다.

– 기화하므로 인체에 해가 적어야 한다.

– 플라스크 안 공기를 밀어내고 기화된 시료가 플라스크를 가득 채울 수 있도록 하여 부피를 측정하므로, 증기의 밀도가 공기의 밀도보다 커야 한다.

(2) 액체 시료의 양이 충분하지 않아서 기화한 시료가 플라스크를 완전히 채우지 못했다면 어떤 결과가 얻어지겠는가? 분자량이 100이라면 최소한 몇 g의 시료가 필요한가?

– 실제 기체의 부피는 플라스크 부피보다 작지만, 계산 시에는 기체의 부피를 플라스크 부피와 같다고 놓는다. 따라서 실제보다 분자량이 더 작게 특정된다.

COMMENT : 압력, 부피, 온도에는 앞 실험에서 측정한 값을 대입하면 된다.

(3) 액체 시료에 기화하지 않는 불순물이 녹아있다면 실험 결과가 어떻게 되겠는가?

질량 W2-W1에서 W2가 크게 측정되어 질량값이 커지고 분자량이 크게 측정된다.

(4) 이 실험에서 플라스크를 물 속 깊이 잠기도록 해야 하는 이유를 설명하여라.

플라스크 속 기체의 온도를 물의 온도와 같게 하기 위함이다. 플라스크가 물 속에 깊이 잠기지 않는다면 플라스크 윗부분과 아랫부분의 온도 차이가 발생한다. 우리가 분자량을 구할 때는 플라스크 아랫부분의 온도를 사용하는데, 온도차이가 발생하면 실제 플라스크 안의 온도는 측정된 플라스크 온도보다 낮을 것이다. 따라서 실제보다 높은 온도로 계산하여 분자량이 크게 측정될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 플라스크를 물 속 깊이 잠기도록 한다.

(5) 아이소프로판올이 모두 기화한 후 플라스크를 꺼내어 표면에 묻어 있는 물을 닦고, 실온이 될 때까지 방치하여 두면 시료는 어떤 변화가 일어나는지 설명해보자.

아이소프로판올이 모두 기화된 플라스크는 높은 온도의 상태인데, 이를 실온이 될 때까지 방치하면 온도가 내려가면서 기화되었던 아이소프로판올이 다시 둥근 바닥 플라스크 내부에 응결되어 액체 상태로 돌아오게 된다.

(6) 아이소프로판올을 증발시킬 때 기체가 플라스크 내벽에 응축하거나 액체 시료에 기화하지 않는 불순물이 녹아 있다면 실험 결과가 어떻게 되겠는가?

– 내벽에 응축할 때는 시료가 기화하여 플라스크를 가득 채우지 못하므로 실제보다 부피가 더 크게 측정되어 분자량이 작게 계산된다.

– 불순물 : (3) 참고

(7) 알루미늄 포일의 구멍을 뚫는 이유를 설명하시오.

시료가 기화하면서 증기압이 점점 커지는데 이는 폭발할 수 있다. 따라서 플라스크 내부 압력을 대기압과 일정하게 맞추기 위해 구멍을 뚫어 공기가 빠져나가고 시료가 플라스크 안을 채울 수 있도록 하기 위함이다.

(8) 플라스크 바깥에 묻은 물기를 닦아내지 않는다면 실험 결과가 어떻게 되겠는가?

질량 W2-W1에서 W2가 크게 측정되어 질량값이 커지고 분자량이 크게 계산된다.

참고문헌

표준일반화학실험 제 7개정판, 대한화학회, 55-59쪽

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LIST

몰질량 측정

Ⅰ. Title

몰질량 측정

Ⅱ. Purpose

1. 이상기체 상태방정식을 이용하여 쉽게 증발하는 기체의 몰질량을 측정한다.

2. 대부분의 기체는 상온, 대기압에서 이상기체 상태방정식을 만족하기 때문에 기체의 부피, 온도, 압력과 함께 용기를 가득 채우는 데에 필요한 물질의 질량 w를 측정하면 이상기체 상태방정식으로부터 몰질량 M을 계산한다.

Ⅲ. Theory

1. 압력(대기압)

1) 개념

어떤 공간에 들어있는 기체 분자는 지속적으로 공간의 벽면에 부딪힌다. 이렇듯 벽면을 밀어내는 힘을 압력(P)라고 하며, 이 힘은 기체 분자와 맞닿아 있는 모든 면에 작용한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같이 정의할 수 있다.

\[P=\frac{F}{A}\] (A : 압력의 영향을 받는 면적 F: 가해진 힘)

압력은 특정 용기 내에서만 존재하는 개념이 아니라, 지구 전체로 공간을 확대해도 적용되는 개념이다. 지구를 감싸는 대기도 중력의 영향을 받지만 운동 에너지가 중력의 영향보다 크기 때문에 찌그러진 형태는 아니다. 하지만, 중력의 영향 때문에 대기도 지면에 대해 압력을 지니는데 이를 대기압이라고 한다. 대기압은 $1m^2$에 대해 작용하는 공기의 힘의 크기를 측정한다. $1m^2$의 공기의 질량은 약 10,000kg이므로 중력가속도 $g=9.8m/s^2$임을 고려하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다. 이때, 압력의 SI 표준단위가 Pa를 이용해서 표현해보자.

\[P=\frac{F}{A}=\frac{10,000kg\times9.8m/s^2}{1m^2}=1\times10^5N/m^2=10^5Pa\]

하지만, 대기압은 항상 일정하지 않다. 우선, 날씨가 대기압의 크기를 결정짓는다. 대표적으로 습도가 변한다면 대기의 질량이 변화하므로 대기압도 변화할 수 있다. 또한, 위치에 따라 대기압이 변한다. 중력가속도가 위치에 따라 변화하는데, 대기압을 결정짓는 공기의 무게 또한 중력가속도의 영향을 받기 때문이다. 보통 고도가 높은 지역일수록 중력가속도가 작으므로 대기압이 낮다.

2) 측정

공기의 무게도 없다고 생각했던 시절, 토리첼리는 대기압을 측정할 수 있는 기구를 설계했다. 수은을 이용한 이 기구는 수은이 누르는 압력과 대기압이 평형을 이룰 때, 수은기둥이 움직이지 않는 현상을 이용했다. 단위를 이용해서 표현하면 다음과 같다.

\[1 atm = 760mmHg = 760 torr = 1.01352\times10^5Pa\]

2. 부피

부피를 듣고 물체가 가지는 크기를 떠올릴 수 있을 것이다. 하지만, 기체의 경우 부피는 특별하게 정의된다. 기체의 부피는 들어있는 공간의 크기에 의해 정의된다. 어떤 공간에 여러 종류의 기체가 들어가더라도 기체의 종류에 상관없이 각 가체의 부피는 용기의 크기에 해당한다.

3. 온도

물체가 얼마나 차고 더운지를 수치화한 것이 온도이다. 온도는 기준이 되는 온도를 정하고 이를 어떻게 눈금으로 나누어 표현하는 가를 통해서 3가지로 표현한다.

1) 섭씨온도(Celsius Temperature)

섭씨온도는 대기압이 1기압인 환경에서 물에 대한 정보를 이용해서 표현한 온도다. 물의 어는점과 끓는점을 각각 0℃와 100℃로 하고 두 온도의 사이를 100등분한다. 이때 간격 하나를 1℃라고 한다. 섭씨온도를 측정하기 위해서는 대개 알코올 온도계와 수은 온도계를 사용한다.

2) 화씨온도(Fahrenheit Temperature)

화씨온도도 물에 대한 정보를 이용해서 온도를 표현했다. 물의 어는점과 끓는점을 각각 32℉, 212℉라고 하고, 이를 180등분했다. 이때 나눈 간격을 1℉라고 한다. 화씨온도는 특정지역에서 많이 사용되는 경향이 있지만, 섭씨온도로 바꾸어 표현할 수 있다.

\[T_{F}=\frac{9}{5} \times T_{C}+32\] \[T_{F}\] : 화씨온도, \[T_{C}\] : 섭씨온도

3) 절대온도(Kelvin Temperature)

섭씨온도와 화씨온도는 실생활에서 널리 사용되는 온도체계다. 하지만, 온도를 표현하는 기준을 물로 설정했기에 환경에 의해서 정확하게 측정하지 못하는 경우가 있을 수 있다. 또한 같은 열을 받았더라도 액체의 부피 증가정도가 차이가 있기에 오차가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 물질의 종류와 관계없이 성립하는 이론적인 온도 체계를 만들었다. 이를 열역학적 온도 혹은 절대온도라고 표현한다. 이는 현재 온도에 대해 SI 국제 단위로써 사용되고 있으며, 단위는 K를 이용한다. 절대온도도 섭씨온도를 이용해서 표현할 수 있다. 절대온도와 섭씨온도의 간격은 동일하므로 두 온도 사이의 관계를 다음과 같이 표현할 수 있다.

\[T_{Abs}=273+T_{C}\]

4. 기체분자 운동론 (The Kinetic-Molecular Theory of Gases)

기체분자 운동론을 통해 이상기체가 물리적으로 어떻게 움직이는가를 설명할 수 있다.

1) 기체는 끊임없이 무질서하게 움직인다. (Random motion)

2) 기체의 부피에 대해 기체 분자의 부피는 무시해도 될 정도로 작다. (Negligible molecular volume)

3) 기체 분자 사이의 상호작용(인력, 반발력)은 무시해도 될 정도로 작다. (Negligible forces)

4) 기체분자가 계속 충돌함에도 불구하고, 온도가 일정하다면 기체의 평균운동에너지는 일정하다. 기체의 평균운동에너지는 절대온도에 비례한다. (Constant average kinetic energy & Average kinetic energy proportional to temperature)

5. 보일의 법칙

보일의 법칙은 압력과 부피의 관계에 대해 정의한 법칙이다. 일정한 온도에서 같은 양의 기체가 담긴 용기에 압력을 가해 부피를 감소시키자. 이때, 기체 분자의 평균운동에너지는 일정하지만 벽면에 기체 분자가 충돌하는 횟수가 증가한다. 기체 분자가 벽면에 충돌하는 횟수는 압력의 크기를 의미하므로 압력이 증가함을 알 수 있다. 정리하면, 같은 온도에 대해 같은 몰수인 기체의 부피는 압력에 반비례한다.

\[V\propto\frac{1}{P}\]

이 그래프는 2가지 특성을 지닌다. 우선, 기체의 몰수가 일정하므로 그래프 위의 각 점에 대해서 부피와 압력의 곱은 항상 기체의 몰수로 일정하다. 또한, 온도가 증가한다면 같은 부피에 대해서 벽면에 기체 분자가 충돌하는 횟수가 증가한다. 이는 압력이 증가함을 의미한다. 따라서 온도가 증가하면 기체의 그래프가 우상향으로 이동한다.

6. 샤를의 법칙

샤를의 법칙은 온도와 부피의 관계를 표현한다. 압력이 일정한 상황에서 같은 몰수의 기체 온도를 높이면 기체의 평균운동에너지가 증가한다. 즉, 기체 분자의 운동 속도가 증가하여 기체 분자가 실린더의 벽면에 충돌하는 횟수 및 세기가 증가한다. 이는 실린더 내부 압력이 증가함을 의미한다. 하지만 외부의 압력과 같아질 때까지 내부의 압력은 감소하며 이 과정에서 실린더의 부피는 증가한다. 정리하자면, 같은 압력과 같은 몰수의 기체에 대하여 온도가 증가하면 기체의 부피도 증가한다.

\[V\propto T\]

\[V_{t}=V_{0}+V_{0}\times\frac{t}{273}=V_{0}(1+\frac{t}{273})\]

7. 아보가드로 법칙

아보가드로 법칙은 부피와 몰수의 관계를 표현한다. 온도와 압력이 같은 상황에서 기체 분자수가 증가하면 용기에 충돌하는 횟수가 증가하므로 압력이 증가한다. 하지만 외부 압력과 압력이 동일해야 하므로 용기의 부피가 증가한다. 정리해서 표현하면 같은 온도 같은 압력에서는 기체 분자수는 몰수에 비례한다.

\[V\propto n\]

아보가드로 법칙을 확장해보자. 기체는 종류에 따라 특성이 다를 수도 있지만, 물리적 특성은 비슷한 경향을 보인다. 또한, 기체의 몰수가 부피에 비례한다고 했으므로 기체의 부피가 같다면 같은 몰수가 존재할 것이다. 이를 정리하면 다음과 같은 법칙이 성립한다. ‘같은 온도, 압력, 그리고 부피에서는 기체의 종류와 상관없이 같은 몰수의 기체 분자가 들어있다.’ 다음 법칙을 1기압인 상황에도 적용하자. 기압이 1기압인 0℃에서 기체 1몰의 부피는 22.4L이다. 즉, 0℃, 1기압 22.4L에는 기체의 종류와 상관없이 기체 분자 1몰이 존재한다는 성질을 얻을 수 있다.

8. 이상기체 상태방정식

1) 개념

앞서 살펴본 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 그리고 아보가드로 법칙을 온도, 압력, 부피, 그리고 몰을 이용해서 부피에 대한 비례관계를 표현해보자.

보일의 법칙 : \[V\propto\frac{1}{P}\]

샤를의 법칙 : \[V\propto T\]

아보가들의 법칙 : \[V\propto n\]

이상 기체의 분자들이 서로 상호작용하지 않으며, 분자들의 부피의 합이 전체 기의 부피보다 작다고 가정하자. 이때, 위의 세 법칙을 묶어 표현하면 부피에 대해 비례관계를 얻을 수 있고, 이를 기체상수 R을 이용해서 부피와 온도와 압력, 그리고 몰에 대해 등호 관계를 이용해 표현하자.

\[V\propto \frac{nT}{P}, V=R\frac{nT}{P}\]

\[PV = nRT\]

\[P : 압력, V : 부피, n : 몰, R : 기체 상수, T : 절대온도 R = 8.314J/mol K\]

2) 이상기체 방정식을 이용한 기체 분자의 몰질량 구하기

$PV=nRT$에서 기체의 몰질량(분자량)과 질량을 각각 M, w라고 하면 몰-분자량-질량 관계를 이용해서 위의 식을 정리할 수 있다.

\[n=\frac{w}{M}\]

\[M=\frac{wRT}{PV}\]

만약 기체의 밀도를 알고 있고, 이를 d라고 한다면 식을 바꿔표현할 수 있다.

\[M=\frac{dRT}{P}\]

상황에 맞추어 분자량으로 정리한 두 식을 적절히 이용한다면 이상기체 방정식으로부터 기체의 몰질량을 구할 수 있다.

9. 몰질량(분자량)

1) 개념

몰질량은 1몰에 들어있는 원자 혹은 분자의 질량을 의미한다. (몰질량)=(원자 또는 분자 1개의 실제질량)×(아보가드로수) 를 통해서 구할 수 있으며 이는 원자량 및 분자량에 g을 붙인 값과 동일하다.

2) 측정

몰질량을 측정할 수 있는 방법은 다양하다. 실제 원자와 분자 1개의 질량만 알 수 있다면 아보가드로수를 곱해서 몰질량을 측정할 수 있다. 하지만, 실제 원자 및 분자 1개의 질량을 측정하는 일은 어려운 일이므로, 이상기체 상태방정식을 이용한다면 오차는 분명히 있겠지만, 대략적인 몰질량을 측정할 수 있다. 우선 초기 플라스크와 알루미늄 뚜껑의 처음 무게를 측정하면 이는 플라스크와 알루미늄 뚜껑과 일반 공기의 무게를 측정한 수치를 알 수 있다. 그 다음 물보다 끓는 점이 낮은 액체시료를 플라스크에 넣어 중탕하고 이를 식힌 후, 플라스크의 질량을 측정하면 플라스크와 알루미늄 뚜껑 및 시료의 무게를 구할 수 있다. 두 질량의 차이를 구하면 구하고자 하는 기체의 질량 – 공기의 질량을 알 수 있다. 이때, 공기의 질량은 공기의 밀도가 제시되었다면 플라스크의 부피를 이용해서 구하고 그렇지 않다면 공기의 평균 분자량이 29인 것을 이용해서 공기의 질량을 구한다. 최종적으로 구한 실제 시료의 무게를 이상기체 방정식에 대입해서 풀이하면 해당 시료의 몰질량을 추론할 수 있다.

측정과정 중 유의해야하는 사항이 있다. 우선, 사용하는 액체 시료가 물보다 끓는점이 낮아 중탕하는 과정에서 충분히 기화되어야 액체상태로 남아있는 시료가 없어 질량을 보다 정확히 구할 수 있다. 또한, 액체 시료의 양이 충분하지 않아 플라스크 공간을 기체로 다 채우지 못한다면 실제 플라스크의 부피와 다른 부피 값을 가지므로 충분한 양의 액체시료를 준비해야 한다. 또한, 플라스크를 중탕할 때, 플라스크가 충분히 물에 잠겨야 온도가 균일하게 플라스크에 전달된다. 그래야 기체들이 같는 평균분자운동에너지가 거의 균일하며 내부 압력을 거의 균등해지는 결과에 이르기 때문이다.

Ⅳ. Chemicals & Apparatus

1. Apparatus

Hot plate 1개, 스탠드 1개, 클램프 2개, 온도계 1개, 500mL 1개, 10mL 눈금실린더 1개, 100mL 눈금실린더 1개. 100mL 둥근 플라스크 1개, 1회용 needle, 목장갑, 알루미늄 호일, 피펫

2. Chemical

Isopropyl alcohol(IPA) 몰질량: 60.10g/mol, 끓는점 82.6℃ 및 증류수

Ⅴ. Procedure

1. 깨끗하게 씻어서 말린 100mL 둥근 플라스크에 알루미늄 호일로 뚜껑을 만들어 씌우고, 바늘로 작은 구멍을 뚫는다. 이때, 구멍의 크기는 작을수록 좋다.

2. 뚜껑을 덮은 플라스크의 무게를 화학저울을 사용해서 정확하게 측정한다.

3. 플라스크에 약 3mL의 액체 시료를 넣고 뚜껑을 다시 막고, 스탠드에 고정시킨다.

4. 500mL 비커에 물을 채우고 끓을 때까지 가열한다.

5. 플라스크를 비커의 바닥에 닿지 않을 정도로 물속에 깊이 넣는다.

6. 끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고, 플라스크 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다. 이 때, 플라스크를 절대 꺼내면 안 된다.

7. 플라스크의 액체가 모두 기화하면 잠시 기다린 후에 플라스크를 끓는 물에서 꺼내 식힌다. 플라스크가 매우 뜨거우므로 손으로 만지지 않도록 한다.

8. 플라스크 바깥에 묻은 물을 완전히 닦아낸다. 그리고 말린 플라스크와 뚜껑의 무게를 다시 측정한다.

9. 플라스크를 깨끗하게 씻은 후에 증류수를 가득 채우고, 눈금실린더를 사용해서 증류수의 부피를 측정하고 이 값을 이용해 플라스크의 부피를 계산한다.

Ⅵ. Data & Result

1. 실험결과

1회 2회 플라스크와 알루미늄 뚜껑의 처음 무게 (g) 79.9167 79.042 식힌 플라스크와 뚜껑의 무게 (g) 80.2640 79.406 응축된 시료의 무게 (g) 0.3473 0.364 끓는 물의 온도 (K) 372.5 371 대기압(atm) 1 1 플라스크의 부피 (L) 0.139 0.139 액체시료의 몰질량 (g/mol) 76.4 79.8

2. 오차율

1회 2회 실제 몰질량 값 (g/moL) 60.10 60.10 실험 몰질량 값 (g/moL) 76.4 79.8 오차율 27.2 32.8

Ⅶ Discussion

이상기체 상태방정식으로 몰질량을 유도하면 다음과 같다.

\[M=\frac{wRT}{PV}\]

실험을 측정한 환경에서는 기체 상수는 상수이므로 측정값에 영향을 미치지 않는다. 실험으로 얻은 몰질량 값이 실제 몰질량보다 더 크다는 것을 감안하여 오차에 영향을 준 변수와 개선 방향을 정리하자.

변수 실제 값에 대한 측정 값 개선 방향 분모 V 실제보다 작게 측정된 것으로 예상 증가하는 방향으로 개선 P 분자 T 실제보다 크게 측정된 것으로 예상 감소하는 방향으로 개선 w

이제 각 변수별로 오류가 난 원인을 이유를 진행된 실험 과정을 통해 분석해보고 최대한 올바르게 설계한다면 어떤 방향으로 실험 몰질량 값이 변화할지 예상해보자.

1. 부피(V)에 대한 분석

부피를 측정하기 위해 100mL 눈금실린더를 사용했다. 하지만, 부피 플라스크의 부피가 100mL보다 커서 동일한 눈금실린더를 2번 사용해야 했다. 시간상의 문제로 처음 측정했던 눈금실린더를 충분히 말리지 못하고 사용했다. 즉 2번째로 부피를 측정했을 때 기존의 액체와 중첩된 수치로 측정되어 부피가 실제보다 더 크게 측정되었다고 볼 수 있다. 또한 눈으로 부피를 측정했기 때문에 눈으로 실제 부피에 대해 오차가 발생했을 수도 있다. 만약 측정상의 오류를 개선하고 눈금실린더를 충분히 말려 측정했다면 측정수치보다 보다 작은 부피 값을 얻을 수 있을 것이라고 예상한다. 이는 실제 설계한 개선방향과는 다름을 알 수 있다.

2. 압력(P)에 대한 분석

실제 실험실 내부의 압력을 측정하지 않고 1기압으로 가정했기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 표준 대기압이 0℃ 지구 표면에서 측정한 수치이다. 하지만, 실험실 내부의 온도가 더 크고 높이가 표면보다 높아 중력가속도의 크기다 더 작을 것이다. 그러므로 압력계를 이용해서 실제 실험실 내부의 압력을 측정한다면 1기압보다 더 작게 측정될 것이다. 이 또한 실제 설계한 계선방향과는 다르다고 확인할 수 있다.

3. 온도(T)에 대한 분석

실험과정 도중에 IPA가 충분히 기화했는지 확인하기 위해서 플라스크를 한번 꺼냈었다. 이때 순간적으로 온도가 낮아졌지만, 그 이후에도 충분히 중탕을 했기 때문에 온도에 대해서는 크게 오류가 없었다고 생각한다. 하지만, 온도의 측정 또한 직접 눈으로 했기 때문에 여기서 발생하는 오류가 있을 수 있다.

4. 질량(w)에 대한 분석

이상기체 상태방정식에 대기압, 끓는점의 온도와 플라스크의 부피를 대입하면 실제로 측정되어야 하는 IPA의 몰수를 알 수 있다. 1atm×0.137L=xmol×0.08206atm∙L/mol∙K×372.5K 이므로 $x=4.482×10^{-3}$이다. 또한 IPA의 몰질량이 60.10g/mol 이므로 실제로는 응축된 시료 무게가0.2694g이 측정되었어야 한다. 이 수치를 통해 2가지 사실을 알 수 있다. 첫번째, IPA가 기화되는 과정에서 호일에 뚫은 구멍을 통해 기체상태의 IPA가 빠져나왔음을 알 수 있다. 넣어준 액체 시료는 3mL이며 밀도는 $0.7809g/cm^3$이므로 기체상태의 시료가 온전히 다시 응축되었다면 2.4327g이 측정되었어야 하기 때문이다. 두번째로 실제 측정되어야 하는 수치보다 실험에서 측정된 질량이 더 큰 사실을 알 수 있다. 실험에서 측정한 응축된 시료의 양이 0.3473g이기 때문이다. 이렇듯 실제 수치보다 질량이 더 크게 측정되었음을 알 수 있다. 여러 요인이 있었겠지만 실험과정에서 불필요하게 응축된 액체시료가 질량이 더 크게 측정되는데 기여했다. 우선 IPA를 중탕하던 중에 시료가 다 기화했는지 확인하기 위해서 중간에 플라스크를 한 번 꺼낸 것이 문제가 되었다고 판단된다. 후에 충분한 시간을 가열했지만, 기구의 크기가 맞지 않아 플라스크를 완벽하게 끓는 물 속에 집어넣지 못했기에 플라스크의 목부분에 미처 기화되지 못한 액체시료가 남아있을 가능성이 있었다. 또한, 알루미늄 호일로 만든 뚜껑부분에도 응축된 IPA가 남아있을 수 있다. 뚜껑부분은 플라스크의 외부와 직접 맞닿아 있는 부분이기 때문에 온도차이에 의해서 IPA가 응축될 수 있기 때문이다. 액체 상태의 IPA는 기체 상태의 IPA보다 밀도가 크기에 질량이 더 크게 측정된다. 실험진행 중에 미처 파악하지 못한 응축된 시료가 질량이 더 크게 측정되는데 영향을 줬다고 파악된다.

Ⅷ. Reference

1. Brown 외 6인, Chemistry The Central Science 14th edition, Pearson, 2019, pp. 138, 440~448, 451-452, 457-459, 463-466

2. 동아출판, High Top 하이탑 고등학교 물리 2 1권, 동아출판, 2012, pp. 192~193

3. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 55~58

4. John R.Rumble, CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th edition, pp.3-482

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`예비 보고서`

1. 실험제목 :〔실험 5〕몰질량의 측정

2. 실험날짜 :

3. 실험 조 및 공동 실험자 :

4. 실험목적 : 이성기체 상태방정식을 이용해서 쉽게 증발하는 기체의 몰질량을 결정한다.

5. 실험원리 :

① 몰질량; 질량수 12인 탄소의 원자 몰질량을 12g라 정의하고, 이 동위원소 12g에 들어 있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수(6.02210^23)라 하며, 아보가드로 수만큼의 원자 또는 분자를 1몰이라고 정의한다. 따라서 분자의 몰질량은 1몰에 해당하는 질량을 이야기 하며 단위는 g/mol로 나타낸다.

② 이상기체; 완전기체라고도 하며 물리적 작용에 있어서 압력·부피·온도 간의 이상기체 법칙을 따르는 기체이다. 보일의 법칙과 샤를의 법칙은 이 법칙의 특별한 경우로, 이 법칙 에 따르면 주어진 양의 기체에 대하여 부피 V와 압력 P의 곱은 절대온도 T에 비례한다. 즉 이것을 식으로 나타내면 P…

실험보고서

1. 실험제목 :〔실험 5〕몰질량의 측정

2. 실험날짜 :

3. 실험 조 및 공동 실험자 :

4. 실험목적 : 이성기체 상태방정식을 이용해서 쉽게 증발하는 기체의 몰질량을 결정한다.

5. 실험원리 :

① 몰질량; 질량수 12인 탄소의 원자 몰질량을 12g라 정의하고, 이 동위원소 12g에 들어 있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수(6.022*10^23)라 하며, 아보가드로 수만큼의 원자 또는 분자를 1몰이라고 정의한다. 따라서 분자의 몰질량은 1몰에 해당하는 질량을 이야기 하며 단위는 g/mol로 나타낸다.

② 이상기체; 완전기체라고도 하며 물리적 작용에 있어서 압력·부피·온도 간의 이상기체 법칙을 따르는 기체이다. 보일의 법칙과 샤를의 법칙은 이 법칙의 특별한 경우로, 이 법칙 에 따르면 주어진 양의 기체에 대하여 부피 V와 압력 P의 곱은 절대온도 T에 비례한다. 즉 이것을 식으로 나타내면 PV=kT가 되고 여기서 k는 상수이다. 이것을 기체의 상태방정 식(狀態方程式)이라고 하며, 기체의 전반적인 작용을 나타낼 수 있다. 일반적인 기체법칙은 기체분자의 운동론에서 유도될 수 있으며 이것은 다음과 같은 가정에 입각하고 있다.

ㄱ. 기체는 자유롭게 운동하며 뉴턴의 운동법칙을 따르는 수많은 분자들로 구성된다.

ㄴ.기체분자들의 부피는 기체가 차지하는 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다.

ㄷ.무시할 수 있을 정도로 짧은 순간동안 일어나는 탄성충돌을 제외하고는 기체 분자간에 는 아무런 힘도 작용하지 않는다.

이러한 성질을 갖는 기체는 존재하지 않지만 온도가 상당히 높고 압력이 낮은 상태에서는 기체분자간의 거리가 비교적 멀고 기체분자들의 속도가 빨라서, 분자 간 상호작용을 극복 할 수 있기 때문에 실제기체의 작용은 일반적인 기체법칙에 상당히 근접한다. 단일기체 또 는 혼합되어 있는 기체의 한 성분이 응결점 근처에 있을 때, 기체…(생략)

는 이 방정식에 따르지 않는다. 일반적인 기체법칙은 만약 기체의 양을 나타내는 상수가 아보가드로 법칙에 따라 기체의 분자 수로 표현된다면, 어떠한 기체에도 적용될 수 있다. 이것은 그램 분자량(분자 량에 그램 단위를 붙인 물질의 양, 즉 1/㏖)의 단위를 사용한다. 따라서 이상기체 n㏖ 의 상태방정식은 PV/T=nR로 나타낼 수 있으며, 여기서 R는 기체상수이다. 이 상수는 고온저 압의 거의 이상적인 조건하에서 모든 기체가 같은 값(R〓8.314 J/㏖·K)을 가진다.

③ 상태방정식; 기체의 양과 온도, 부피, 압력 사이의 관계는 기체의 상태방정식으로 주어 진다. 이상기체는 기체의 상태가 변하는 모든 범위에 걸쳐 이상기체 상태방정식을 따르는 데 이것을 식으로 나타내면 PV=nRT (P : 기체 압력, V : 부피, n : 몰수, R : 기체상수,

T:온도)로 나타낼 수 있다. 한편, 표준 상태에서는 n=1mol/V=22.4L/P=1.00atm/T=273K 이다. 이를 통해 표준상태에서의 기체상수 R을 측정할 수 있는데 이 때, R=0.0821atm*L/mol*K이다. 이 값이 일반적으로 사용되기는 하나 실제로 R의 값은 압력 과 부피에 사용된 단위에 의존한다.

▷이상기체 상태방정식을 이용한 몰질량의 측정

분자의 몰질량을 측정하는 방법 중 가장 간단하게 측정하는 방법은 기체의 상태방정식을 이용하는 것이다. 대부분의 기체는 상온, 상압에서 이상기체 상태방정식을 마족하기 때문 에 기체의 부피, 온도, 압력과 함께 용기를 가득 채우는 데에 필요한 물질의 질량 W를 측정하면 이상기체 상태방정식으로부터 몰질량 M을 계산할 수 있다.

M=

④ 기화; 액체나 고체 상태에서 기체(증기)상태로 바뀌는 물질 변화이다.

6. 시약 : 액체시료(끓는점이 너무 높지 않고, 냄새와 동성이 강하지 않는 것이 좋다)

기구 : round flask, beaker, graduated cylinder, needle, thermometer, heater, ring, stand & clamp, balance, mohr measuring pipette, aluminium foil, asbestos board, filter paper

7. 실험방법 :

① 깨끗하게 씻어서 말린 100mL round flask에 aluminium foil로 뚜껑을 만들어 씌우고,

needle로 작은 구멍을 뚫는다. 구멍의 크기는 작을수록 좋다

② 뚜껑을 덮은 flask의 무게를 balance를 사용해서 정확하게 측정한다.

③ flask에 약 3mL의 액체 시료를 넣고 뚜껑을 다시 막고 stand에 고정시킨다.

④ 500mL beaker에 물을 절반 정도 채우고 끓을 때까지 가열한다.

⑤ flask를 beaker의 바닥에 닿지 않을 정도로 물 속에 깊이 넣는다.

⑥ 끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고, flask 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다.

flask를 beaker에서 꺼내면 안 된다. 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의

산란 때문에 기체가 새어 나오는 것을 관찰할 수 있다.(휴대용 전지를 사용하면 좋다)

⑦ flask의 액체가 모두 기화하면 잠시 기다린 후에 flask를 끓는 물에서 꺼내 식힌다.

flask가 매우 뜨거우므로 손으로 만지지 않는다.

⑧ flask 바?에 묻은 물을 filter paper를 사용해서 완전히 닦아낸다.

⑨ 완전히 말린 flask와 뚜껑의 무게를 다시 측정한다.

⑩ flask를 깨끗하게 씻은 후에 distilled water를 가득 채우고, graduated cylinder를 사용 해서 distilled water의 부피를 측정하고 이 값을 이용해서 flask의 부피를 측정한다.

⑪ 시간이 허용되면 위의 실험을 한 번 더 반복한다.

1. 실험제목 :〔실험 5〕몰질량의 측정

2. 실험날짜 :

3. 실험 조 및 공동 실험자 :

4. 실험목적 : 이상기체 상태방정식을 이용해서 쉽게 증발하는 기체의 몰질량을 결정한다.

5) 실험원리 :원자나 분자는 매우 작아 그 질량을 측정하기 어렵다. 즉 질량수 12인 탄소의 원자 몰질량을 12라 정하고, 이 동위 원소 12g에 들어있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수 (6.022 x 10^23)이라고 하며, 아보가드로수만큼의 원자 또는 분자를 1몰이라고 정의한다. 이때 몰질량을 측정하는 데는 여러 가지 방법 중에서도 기체의 상태방정식을 이용하는 방법을 사용한다.

-> 이상기체상태 방정식이란?

PV =nRT

Boyle`s law V = constant/P [fixed n and T]

Charle`s law V = constant*T [fixed n and P]

Avogadro`s law V = constant*P [fixed P and T]

n = (몰수)

PV = nRT = *RT 즉 M = (w= 질량)

추가적으로 M =

즉, M=

이 식을 사용하여 이 실험에서는 액체를 통해 가열한 후 일정한 부피를 가진 플라스크의 내부를 기체로 채운 후 플라스크를 다시 냉각시켜 액체로 만든 후 질량을 측정하는 방법을 사용한다.

6) 기구 : beaker, graduated cylinder, thermometer, ring, stand & clamp, balance, mohr measuring pipette, aluminium foil, filter paper, erlenmeyer flask

시약 ; methylene chloride

*methylene chloride; (CH2Cl2);‘염화메틸렌’이라고도 하며 ‘디클로로메탄’이라고도 한다.

유기 할로겐 화합물에 속하는 무색의 휘발성·비가연성(非可燃性) 액체이 며, 메탄·염화메틸을 염소화하거나 클로로포름을 아연과 아세트산으로

환원시킴으로써 얻어진다. 물보다 비중이 크며 물에 아주 적게 녹는다.

지방·기름·그리스 및 여러 중합체에 효과적인 용매의 하나로 독성이

약하고 가연성이 낮으며 안전하고 회수가 쉬우므로 사용하는 데 편리하다.

분자량(=몰질량 ) 84.93, 녹는점 －96.8℃, 끓는점 39.95℃, 비중(밀도) 1.3255,

굴절률 1.4244, 비중계 1.32이다.

7) 실험방법 :

① 깨끗하게 씻어서 말린 erlenmeyer flask에 aluminium foil로 뚜껑을 만들어 씌우고,

(고무줄로 가볍게 2번 감아 고정시킴) 샤프 끝으로 작은 구멍을 뚫는다. 구멍의 크기는 작을수록 좋다

② 뚜껑을 덮은 flask의 무게를 balance를 사용해서 정확하게 측정한다.

③ flask에 약 1mL의 methylene chloride를 넣고 뚜껑을 다시 막고 stand에 고정시킨다.

④ 500mL beaker에 물을 절반 정도 채우고 끓을 때까지 가열한다.

⑤ flask를 beaker의 바닥에 닿지 않을 정도로 물 속에 깊이 넣는다.

⑥ 끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고, flask 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다.

flask를 beaker에서 꺼내면 안 된다. 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의

산란 때문에 기체가 새어 나오는 것을 관찰할 수 있다.

⑦ flask의 액체가 모두 기화하면 잠시 기다린 후에 flask를 끓는 물에서 꺼내 식힌다.

flask가 매우 뜨거우므로 손으로 만지지 않는다.

⑧ flask 바깥에 묻은 물을 filter paper를 사용해서 완전히 닦아낸다.

⑨ 완전히 말린 flask와 뚜껑의 무게를 다시 측정한다.

⑩ flask를 깨끗하게 씻은 후에 distilled water를 가득 채우고, graduated cylinder를 사용 해서 distilled water의 부피를 측정하고 이 값을 이용해서 flask의 부피를 측정한다.

8) 결 과 :

1. 응축된 시료의 무게; 48.2168-47.5783=0.6385g

2. 끓는 물의 온도; 273+ 53℃= 326k

3. 대기압; 1atm

4. 플라스크의 부피; 122mL

5. 액체 시료의 몰질량

——————————————————————

*. 이번 실험에서는 methylene chloride의 몰질량을 알아보는 실험이예요. 그렇다면 최소한 얼마만큼의 methylene chloride가 실험에 사용되어야 하는지 알아봐야겠죠?

문제) 122mL 부피의 flask에 methylene chloride 용액을 사용하여 몰질량 측정실험을 한다면 최소한 필요한 시료의 양(mL)은 얼마일까? ∴0.40g

(단, P = 1atm , 40℃에서 Metylene chloride가 기화되었다.)

? T=켈빈 값으로(273+○℃）

? ｍL⇒ L 로 바꾸기

PV = nRT = RT

⇒1atm X 0.122L = X 0.082L?atm/K?mol X 313K

⇒x = 0.40

* 생각해볼 사항

1. 이 실험에 사용하는 액체 시료는 어떠한 성질을 가지고 있어야 실험 목적에 가장 적합하 겠는가 ?

– 액체 시료는 우선 기화성이 좋고 끓는점이 높지 않아야 한다. 즉, 물의 끓는점인 100℃ 를 넘지 않고, 100℃에서 완전히 기화해야 한다. 또한 단일 물질이며 분자 구조가 간단해 야 한다. 냄새와 독성이 강하지 않아야 기화 시 우리에게 영향을 주지 않을 것이다.

2. 액체 시료의 양이 충분하지 않아서 기화한 시료가 플라스크를 완전히 채우지 못했다면 어떤 결과가 얻어지겠는가?

– 기화한 시료가 플라스크를 완전히 채우지 못했다면 냉각된 플라스크와 뚜껑의 무게를 측정할 때 정확한 측정치가 나오지 않았을 것이다. 그렇게 되면 응축된 시료의 무게를

계산할 때도 정확한 값이 나오지 않아 실제 값보다 더 작은 몰질량의 값이 나올 것이다.

3. 액체 시료에 기화하지 않는 불순물이 녹아있다면 실험 결과가 어떻게 되겠는가?

-기화하지 않는 불순물이 녹아 있으므로 오랜 시간 기화를 시켜도 불순물은 기화되지 않고 남아있게 될 것이다. 그렇게 되면 무게 측정 시 더욱 큰 값으로 나오게 되어

계산 시 실제 값보다 더 큰 몰질량의 값이 나올 것이다.

4. 이 실험에서 플라스크를 물 속에 깊이 잠기도록 해야 하는 이유를 설명하여라.

-기화된 액체 시료가 밖으로 빠져나가고, 이물질 (O₂, N₂등)을 제거하고 시료를 완전히 기화시키고 열전달을 균일하게 일으켜 플라스크 내부의 온도 구배를 없애기 위함이다.

따라서 반만 담그게 되면 열전도가 담근 부분만 이루어지게 되어 결국 대류도 영향을

받게 된다.

9) 고 찰 :

비교적 쉬운 실험이었다. 하지만 실험 결과에서 보듯이 오차가 많이 난 실험이었다. 이 실험에서는 액체를 가열하여 일정 부피를 가진 플라스크 내부를 기체로 채운 다음 플라스크를 다시 냉각시켜 액체로 만든 다음에 질량을 측정한다. 즉, 시료가 기체로 변했을 때 공기보다 무겁지 않다면 실험이 실패 했을 것이다. 액체 시료의 선정 시 끓는점이 너무 높지 않고 기체로 변했을 때 공기보다 무거운 시료를 정해야 할 것이다.

염화메틸렌의 이론적 몰질량(이론값;12.xxx+1.008*2+35.45*2=84.93)보다 실험측정한 몰질량이 더 높게 나왔다. (실험 오차 139.9-84.93=54.97g/m)

원인을 살펴보면 오차원인을 살펴보면 온도와 부피에 대한 오차의 원인이 크다고 할 수 있다. 기압의 경우 대기 중에서는 보통1atm으로 상용되어 있지만 온도의 경우 물의 온도를 측정하는 과정에서 온도계의 눈금을 잘 못 읽는 다든지 플라스크내의 온도와 측정한 물의 온도가 다르다든지, 대류현상으로 인한 측정부분에 따른 물의 온도가 다르게 나타 날 수 있다. 다음으로 부피에 대한 오차의 원인을 살펴보면 부피플라스크에 물을 가득 채웠을 때, 정확한 량을 채우지 못하였거나, 기화된 염화메틸렌 속에 공기가 섞여있다거나 하는 등의 오차가 발생하였을 수 있다.

그리고 이론적과는 달리 온도가 오르면서 비중이 다른 기체가 나오면 빛이 꺾여서 아지랑이나 김이 나올 때 흔들리는 것 같은 현상이 생기면서 옆에서 기체의 흐름을 볼 수 없었다. 그래서 플라스크를 꺼내는 온도가 틀리게 되어서 실험오차가 생긴 것 같다. 어째서 큰 값의 분자량을 얻게 되었는지 생각해 보면 가장 큰 오차의 원인은 아지랑이를 보지 못하고 계속 가열시킴으로써 플라스크 안의 시료가 모두 기화한 이후로도 물이 필요이상의 열을 흡수하여 온도가 상승했다고 볼 수 있다. 따라서 끓는점의 온도에 비례하는 시료의 분자량은 자연히 증가할 수밖에 없고 그 영향으로 실제보다 큰 분자량을 결과로 얻었다고 할 수 있겠다.

10) 참고문헌 :

표준일반 화학실험, 대한화학회, 천문각, 2007

일반화학 Charles H. Corwin, 탐구당, 2000

EZ. CHEMISTRY 두현기 군자출판사 2004

브리태니커 백과사전

www.naver.com

www.empas.co.kr

www.google.co.kr

www.chemicalland21.com

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