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1. 질산 포타슘의 용해도 실험
1.1. 실험 A: 질산 포타슘의 용해도 측정
이번 실험에서는 질산 포타슘(KNO3)의 용해도를 측정하여 온도 변화에 따른 용해도 특성을 확인하고자 하였다. 질산 포타슘을 다양한 질량으로 물에 녹인 후 용액의 몰농도와 석출 온도를 측정하였다. 이를 통해 엔탈피 변화(ΔHo)와 엔트로피 변화(ΔSo)를 계산하고, 깁스 자유에너지 변화(ΔGo)를 도출하여 질산 포타슘의 용해 반응 특성을 분석하고자 하였다.
실험 결과, 질산 포타슘 4g, 8g, 12g, 16g을 각각 10mL의 물에 완전히 녹인 후 상온에서 식히면서 결정이 생기는 온도를 측정하였다. 그 결과 각각 19°C, 54°C, 70°C, 81°C에서 결정이 생성되었고, 이에 따른 몰농도는 3.33M, 5.73M, 7.58M, 8.98M로 계산되었다. 이를 바탕으로 1/T와 log(M)의 그래프를 작성하였고, 식 21-2 (logKsol = -ΔHo/2.303RT + ΔSo/2.303R)를 이용하여 용해열 ΔHo를 계산한 결과 13.75kJ/mol로 나타났다. 이는 이론값 35kJ/mol과 비교하면 약 60.71%의 오차가 발생한 것으로 확인되었다.
실험 과정에서 발생한 오차의 원인으로는 첫째, 결정 생성 시점의 정확한 온도 측정의 어려움, 둘째, 증류수 투입 과정에서의 부피 측정 오차, 셋째, 가열 및 냉각 과정에서의 온도 변화 제어의 어려움 등이 지적되었다. 이러한 실험적 한계로 인해 용해열 값에 대한 오차율이 상대적으로 높게 나타났지만, 질산 포타슘의 용해 반응이 흡열 반응이라는 사실은 확인할 수 있었다.
한편 깁스 자유에너지 변화(ΔGo)를 계산한 결과, 예상과 달리 -6.0kJ/mol로 음의 값이 도출되어 질산 포타슘의 용해 반응이 자발적인 것으로 나타났다. 이는 일반적으로 알려진 질산 포타슘의 용해 반응이 비자발적이라는 사실과 상반된 결과이다. 이러한 차이는 실험 과정에서 과포화 용액 상태가 되어 정확한 측정이 이루어지지 않았기 때문으로 분석되었다.
향후 실험 방법 개선을 통해 보다 정확한 용해도 특성 분석이 필요할 것으로 보인다. 예를 들어 온도 변화에 따른 용액의 열량 측정 등 다양한 실험 방법을 적용하여 용해열을 구하는 것이 도움이 될 것으로 판단된다. 또한 실험 시 온도 및 교반 조건을 엄밀하게 제어함으로써 과포화 상태를 방지하고, 정확한 부피 측정을 위한 실험 기구의 활용 등이 오차 개선에 기여할 수 있을 것이다.
1.2. 실험 B: 불순물이 섞인 질산 포타슘의 순도 높이기
실험 B.에 따르면, 불순물이 섞인 질산 포타슘 시료의 순도를 높이기 위해 재결정 방법을 사용하였다. 우선 오염된 시료의 무게는 10g으로, 그중 질산 포타슘이 7.3g, 구리 질산염이 2.7g 포함되어 있었다. 재결정 과정을 통해 4.07g의 고체를 회수하였고, 이 중 0.88g은 불순물로 확인되었다. 따라서 실제 회수된 질산 포타슘의 양은 3.19g이었다.
오염된 시료 중 질산 포타슘의 농도는 73%였...
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