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1. 실험 목적 및 이론
1.1. 이상기체 방정식과 화학반응
이상기체 방정식은 이상 기체를 다루는 상태 방정식이다. 이상 기체 방정식은 P(압력) V(부피) = n(기체의 양) R(기체상수) T(절대온도)의 관계식으로 나타낼 수 있다. 이 방정식은 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 보일-샤를의 법칙 및 아보가드로의 법칙 등을 포함하며, 이를 이용해 기체의 분자량을 구할 수 있다. 다만, 실제 기체는 이상 기체 방정식에 어긋나는 현상을 보일 때도 있는데, 이런 결함을 보완하려면 판데르발스 방정식을 사용한다.
화학반응은 어떠한 화학 물질이 화학 변화를 겪어 다른 물질로 변화하는 과정이다. 핵의 변화 없이 원자 사이의 화학 결합이 형성되거나 끊어질 때 전자의 위치 변화만을 다루며, 화학반응식으로 설명할 수 있다. 화학반응에서 변화하기 전의 물질을 반응물, 변화한 물질을 생성물이라고 한다. 화학 반응은 일정한 온도와 화학 농도에서 특유의 반응 속도로 이루어지며, 열 에너지 이외의 에너지를 필요로 하지 않는 빠른 반응은 자발적 과정으로 불린다. 비자발적 반응은 자연 상태에서는 매우 느리게 이루어지며, 인간이 관측하기 적절한 속도의 반응을 일으켜 화학 평형에 도달하려면 추가적인 에너지가 필요하다.
1.2. 원자량의 정의 및 측정
원자량의 정의는 다음과 같다. 원자의 질량은 그 값이 매우 작으므로 한 원소의 원자를 특정한 수로 기준을 삼아, 나머지는 이 기준에 대한 상대적인 값으로서 표시한다. 현재 사용하고 있는 국제원자량은 탄소의 동위원소 중 탄소 12(12C)를 기준으로 하여 이것을 원자량 12.00000으로 정한다. 탄소원자가 1몰(mol), 즉 6.02X1023개 모이면 그 질량은 12.01115g이고, 수소원자·산소원자가 6.02X1023개 모이면 각각 1.00797g, 15.9994g인 질량을 가진다.
원자량의 개념은 1803년 돌턴의 원자설에 의하여 처음으로 도입되어 1805년 최초의 원자량표가 발표되었다. 이 값은 그렇게 정확하지 못하였으나 베르셀리우스에 의해 상당히 정밀하게 측정하게 되어 실험적인 지지를 얻게 되었다. 그 후에도 많은 연구·측정이 실시되었으나 항상 원자량·당량·분자량 사이의 혼란이 있었는데 1860년이 되어서야 비로소 카니차로에 의하여 근대적 원자량 측정의 기초가 확립되었다.
자연계에 존재하는 산소원자는 3종의 동위원소 16O, 17O, 18O가 일정한 비율로 혼합되어 있다. 이 세 동위원소가 혼합되어 있는 것을 평균하여 평균상대질량을 16.00000으로 정한 것을 화학적 원자량이라 한다. 이에 비해 16O의 질량을 16.00000으로 한 것을 물리적 원자량이라고 한다. 처음에 물리적 원자량과 화학적 원자량의 비는 1.000272± 0.000005로서 무시하여도 무방하였다. 그러나 정밀한 연구가 진행됨에 따라 그 불합리함과 불편함이 차츰 밝혀지게 되었다. 결국 1961년 국제순수 및 응용물리학연합(IUPAP)과 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)이 통일원자량을 발표하고 국제원자량위원회가 채택하여, 국제원자량이 탄생했다.
1.3. 마그네슘과 염산의 산화-환원 반응
마그네슘과 염산의 산화-환원 반응은 이번 실험의 주요 내용 중 하나이다. 이 반응에서 마그네슘(Mg)은 산화되어 마그네슘 이온(Mg2+)이 되고, 수소 이온(H+)은 환원되어 수소 기체(H2)가 발생한다. 이는 다음과 같은 화학 반응식으로 표현할 수 있다.
Mg(s) + 2HCl(aq) → ...
