본문내용
1. 용해열의 측정
1.1. 실험 목적
무기물질의 용해열 측정을 통하여 열화학에 대한 기본적인 개념을 이해하는 것이 이번 실험의 목적이다. 용해열은 용질 1몰이 용매에 녹을 때 발생하는 엔탈피 변화량을 말하며, 물질의 용해 과정에서 흡열 또는 발열이 나타날 수 있다. 이번 실험에서는 열량계를 사용하여 NaOH와 KCl의 용해열을 측정하고자 한다.
1.2. 용해열의 개념
용해열은 일정한 압력과 온도에서 용질이 용매 안으로 확산되어 균일하게 섞이는 용해 과정에서 생기는 엔탈피의 변화량이다. 용질 1몰이 용매에 녹을 때 발생하는 열량을 의미하기도 한다. 용해열은 용매의 양에 따라 다르며, 일반적으로 말하는 용해열은 용매의 양이 많아서 그 이상의 용매를 가하여도 열의 출입이 없는 극한의 값을 말한다.
용해 과정은 크게 세 가지 과정을 거쳐서 이루어진다. 첫째, 용질 입자들을 서로 분리하는 데 필요한 에너지, 둘째, 용질 입자와 용매 입자 사이의 인력으로 인해 생성되는 용질-용매 결합 시 발생하는 에너지, 셋째, 용매 입자들 사이의 상호작용을 약화시키는 데 필요한 에너지 등이다. 이 세 과정의 엔탈피 변화량들의 총합이 용해열을 결정한다.
일반적으로 첫 번째와 두 번째 과정에서 흡열량이 세 번째 과정에서 발열량보다 많다면 용해열은 양(+)의 값을 가지게 되고, 첫 번째와 두 번째 과정에서 흡열량이 세 번째 과정에서 발열량보다 작다면 용해열은 음(-)의 값을 가지게 된다.
1.3. 용해열 측정 방법
1.3.1. 열량계 사용
열량계 사용은 용해열 측정 실험에서 매우 중요한 역할을 한다. 열량계를 사용하여 용해에 따른 온도 변화를 측정함으로써 용해열의 크기를 계산할 수 있기 때문이다.
열량계를 사용한 용해열 측정 방법은 다음과 같다. 먼저 열량계 내부에 일정량의 용매(주로 물)를 넣는다. 그 다음 정확히 칭량한 용질 시료를 물 속에 넣고 교반하여 용해시킨다. 용해 전후의 온도 차이를 측정함으로써 용해에 따른 열량변화를 알 수 있다.
구체적인 계산 과정은 다음과 같다. 열량계의 열용량을 K cal/°C라 하고, 용매의 질량을 W g, 비열을 c cal/g·°C라 할 때, 용해에 의해 발생한 열량 q cal은 q = (K + Wc)(t2 - t1)로 계산된다. 여기서 t1은 용질 투입 전 용매의 초기 온도, t2는 용질 투입 후의 온도이다. 최종적으로 용해열 Q는 Q = q/M(g/mol)으로 계산할 수 있다. M은 용질의 분자량이다.
이와 같이 열량계를 사용하면 용해과정에서 발생하는 열량을 정량적으로 측정할 수 있어 용해열 값을 구할 수 있다. 열량계 내부의 온도 변화를 세밀히 관측하고 정확한 시료량을 사용하는 것이 중요하다.
1.3.2. 온도 변화 측정
온도 변화 측정은 용해열을 측정하는 데 있어 매우 중요한 역할을 한다. 열량계 안에 물 200g을 넣고 온도 변화를 측정하였다. 시약을 넣기 전 물의 초기 온도 t1을 측정하고, 시약을 넣은 뒤 온도 t2를 측정한다. 온도 변화 △t = t2 - t1을 통해 용해에 의해 발생한 열량 q를 계산할 수 있다.
열량계의 열용량 C와 물의 비열 c를 알고 있다면, 용해열 Q는 다음 식으로 구할 수 있다.
q = (C + mc) × △t
Q = q/m
여기서 m은 용질의 질량이다.
따라서 열량계를 이용해 정확한 온도 변화를 측정하는 것이 용해열 계산의 핵심이라고 할 수 있다. 온도 변화 측정 시 주의해야 할 점은 시약을 넣은 직후부터 온도 변화를 빠르게 측정하여 최대 온도까지의 변화를 정확히 기록해야 한다는 것이다. 열량계 내부를 잘 교반하여 균일한 온도 분포를 유지하고, 온도계의 정확도 또한 중요하다. 이를 통해 용해열 측정의 정확성을 높일 수 있다.
1.4. 실험 절차
1.4.1. 열량계의 열용량 측정
열량계의 열용량 측정은 열화학 실험에서 매우 중요한 과정이다. 열량계의 열용량을 알아야 실험에서 측정된 온도 변화로부터 정확한 열량을 계산할 수 있기 때문이다.
실험에서는 열량계에 증류수 100 g을 넣고 초기 온도(θ1)를 측정하였다. 그 후 더운 물 100 g을 넣고 최종 온도(θ3)를 측정하였다. 또한 실온보다 1°C 낮은 증류수 200 g을...
