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1. 질산 포타슘의 용해도
1.1. 서론
질산 포타슘의 용해도에 관한 본 연구는 온도에 따른 용해도 변화를 분석하여 오염된 물질의 순도를 높이는 방법을 모색하고자 한다. 질산 포타슘(KNO3)은 비료, 화약, 유리 제조 등 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용되는 화합물이다. 따라서 KNO3의 용해도를 정확히 파악하는 것은 효율적인 정제 및 분리 공정 개발에 매우 중요하다.
본 실험에서는 온도 변화에 따른 KNO3의 용해도 곡선을 구하고, 이를 바탕으로 KNO3가 포함된 오염된 시료의 순도 향상을 위한 방법을 모색하고자 한다. 특히 KNO3와 다른 금속 니트레이트 간의 용해도 차이를 이용하여 오염된 시료로부터 순수한 KNO3를 분리하는 재결정화 기법을 시도할 것이다. 이를 통해 KNO3의 열역학적 특성을 이해하고, 이를 실제 분리 공정에 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 엔탈피
엔탈피는 물질계의 내부에너지와 압력, 부피의 곱으로 정의된다. 즉, 엔탈피 H는 H = E + PV로 표시할 수 있다. 여기서 E는 물질계의 내부에너지이고, P는 압력, V는 부피를 나타낸다. 엔탈피는 열역학의 중요한 개념으로, 화학반응이나 상변화 과정에서 일어나는 열량의 변화를 나타내는 데 사용된다.
일반적으로 내부에너지는 절대값을 구하기 힘든 양이지만, 엔탈피는 열적 변화에 따른 증감만을 다루기 때문에 열역학적 분석에 유용하게 사용된다. 부피를 일정하게 유지한 채 물질계가 주고받은 열량은 내부에너지의 변화와 같지만, 일정한 압력 아래에서는 엔탈피의 증감과 같아진다.
또한 엔탈피는 상태함수이기 때문에, 출발물질과 최종물질이 같은 경우에는 어떤 경로를 거치더라도 엔탈피 변화의 합은 같다. 이를 헤스의 법칙(Hess's law)이라 한다. 헤스의 법칙에 따르면 화학반응의 반응열은 시작과 끝 상태만으로 결정되며, 중간 경로에는 영향을 받지 않는다.
따라서 엔탈피는 화학반응이나 상변화 등의 열역학적 분석에 매우 유용한 개념이며, 실험을 통해 그 값을 측정하고 이용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
1.2.2. 엔트로피
엔트로피는 무질서도의 척도이다. 자연현상은 언제나 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어난다. 이론적으로 엔트로피는 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비, ds = dQ/T로 정의된다. 여기서 ds는 물질계가 열을 흡수하는 동안의 엔트로피 변화량이다.
대부분의 자연현상 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 자연현상의 변화는 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은 질서있는 상태로부터 확률이 큰 무질서한 상태로 이동해 가는 자연현상으로 해석할 수 있다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적 운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은 무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 자발적으로 일어나지 않는다.
고체 < 액체 < 기체 순으로 온도가 증가할수록 엔트로피가 증가한다...
