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1. 실험 목표와 배경 지식
1.1. 실험 목표: 드라이아이스 용해로 발생한 이산화탄소 기체를 이용한 탄산수 제조
드라이아이스의 용해로 발생한 이산화탄소 기체를 이용하여 탄산수를 제조하는 것이 이 실험의 목표이다. 이를 통해 적정 실험을 수행하여 탄산수의 농도를 측정하고, 이를 바탕으로 이산화탄소의 헨리 상수를 계산할 수 있다.
1.2. 헨리의 법칙: 기체의 용해도와 부분 압력의 관계
헨리의 법칙은 기체의 용해도가 해당 기체의 부분압력에 비례한다는 원리를 설명한다. 온도가 일정할 때, 용매와 평형을 이루는 기체의 부분압력(P)은 기체의 용해도(C)와 헨리상수(k)의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉, P = k × C이다.
이는 기체의 부분압력이 커지면 용매에 용해되는 기체의 양도 많아지고, 반대로 부분압력이 작아지면 용해된 기체가 용액에서 방출된다는 직관과 부합한다. 헨리상수 k는 온도에 따라 달라지며, 290K에서 이산화탄소의 헨리상수는 약 3.3×10^(-2) M/atm이다.
따라서 이산화탄소의 부분압력이 높아지면 용해도가 증가하고, 부분압력이 낮아지면 용해도가 감소한다. 이는 본 실험에서 교반 시간에 따른 탄산수의 농도 변화와도 관련이 있다. 교반을 오래할수록 탄산수의 용해도가 낮아져 이산화탄소의 농도가 감소하게 된다.
1.3. 적정: 농도와 부피 측정을 통한 농도 계산
적정은 화학적 실험과정에서 정량적인 분석을 위해 사용되는 방법으로, 분석대상 시료인 용액의 농도를 측정하기 위하여 농도와 부피를 알고 있는 시료를 투입하여 용액을 섞는 방법이다. 미지 농도의 용액에 시료를 점차 부피를 증가시키며 혼합하면, 지시약으로 인한 색 변화가 나타난다. 색변화의 유지시간이 적정 시간을 만족하면, 용액 혼합을 중지한다. 이때의 시점을 종말점이라고 하고 이때 사용된 시료의 부피와 농도를 이용하여 미지용액의 농도를 계산할 수 있다.
당량점은 중화반응에서 완벽한 중성상태를 이루었을 때의 지점을 말한다. 종말점이 당량점에 가까우면, 실험의 오차는 작아지게 된다. 농도 계산 공식은 다음과 같다.
N1: 미지 수용액의 농도, V1: 미지 수용액의 부피
N2: 시료의 농도, V1: 시료의 부피
이러한 방법으로 용액의 농도를 정확하게 측정할 수 있다.
1.4. 당량점과 종말점의 개념
당량점은 중화반응을 실행할 때, 산염기의 완벽한 중화반응을 완성하였을 때의 지점을 말한다. 즉 HCl과 NaOH의 각각 1mol 수용액을 반응하였을 때, H+ 1mol과 OH- 1mol이 전부 반응하여 물이 1mol 생성되었을 때, 중화반응이 완료되었다고 하고, 이 지점을 당량점이라고 한다.
반면 종말점은 지시약을 통해 중화반응을 실행할 때, 색변화를 육안으로 판단하여, 중화반응을 마쳤다고 실험자가 판단하는 지점을 의미한다. 따라서 당량점은 중화반응이 완벽하게 이루어진 지점이고, 종말점은 실험자가 색변화를 통해 중화반응이 종료되었다고 판단한 지점이다.
이번 실험과정에서는 당량점을 계산한 것이 아닌 종말점을 판단하여 농도 계산을 하였기 때문에, 실제 중화반응 완료지점을 정확하게 파악할 수 없었다. 이로 인해 발생한 실험오차를 고려해볼 필요가 있다."
2. 실험 과정 및 데이터
2.1. NaOH 수용액 농도 측정
홀 피펫을 사용하여 KHP 수용액을 5ml씩 삼각 플라스크에 옮겨 담았다. 이후 3개의 바이알에 5ml의 증류수를 담고 드라이아이스를 넣어 용해시켰다. 용해가 완료되면 뚜껑을 닫아주었다. KHP 용액이 담긴 삼각플라스크를 교반기 위에 올린 다음, 미지의 농도 NaOH 용액으로 적정을 시작했다. 적정 과정에서 뷰렛의 눈금 변화를 관찰하였고, 사용된 NaOH 수용액의 부피를 기록하였다. NaOH 수용액을 약 5.65ml로 적정하였을 때 종말점으로 정하였다. 농도 계산을 통해 미지의 수용액인 NaOH 수용액의 농도를 약 0.044M로 결정하였다.
2.2. 탄산수 제조와 적정
잘게 부순 드라이아이스를 각기 다른 3개의 바이알에 넣어주고, 증류수 5ml로 용해시킨다". 드라이아이스가 모두 용해된 뒤 온도를 측정 뒤, 뚜껑을 닫아 바이알의 입구를 밀봉한다". 우선 교반기를 작동하지 않은 상태에서 첫 번째 바이알을 교반기 위에 올려 적정을 시작한다. 뷰렛의 눈금 변화는 29.6 -> 34.3(ml)이며, 사용된 NaOH 수용액 부피는 4.7(ml)이다. 수용액의 색깔은 연분홍색이었다". 두 번째 바이알을 교반기 위에 올려 2분 30초 동안 교반 후에, 적정을 시작한다. 뷰렛의 눈금 변화는 34.3 -> 35.4(ml)이며, 사용된 NaOH 수용액 부피는 1.1(ml)이다. 수용액의 색깔 역...