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[물리화학실험 A+]기체의 유출 평가A+최고예요

물리화학실험 실험보고서기체의 유출담당교수담당조교학과학번이름분반조제출일1. Title기체의 유출2. Date실험일: 2024.05.27 (월), 2024.06.03 (월)3. Purpose유출법을 이용해 기체의 분자량을 결정하고 확산을 이용해 기체의 분자 지름을 결정한다.4. Principle1) 기체의 분자량은 백금박을 이용해 측정한 뒤 유출법을 통해 구하고, 분자의 지름은 모세관을 이용해 측정한 뒤 확산에 의해 구할 수 있다. 유출은 기체를 담고 있는 용기의 벽에 작은 구멍을 낸 뒤, 이 구멍이 진공 또는 낮은 압력에 연결되도록 하면 기체가 분자 운동에 의해 구멍을 통해 진공 쪽으로 빠져나오는 현상을 말한다.확산은 이미 다른 기체가 들어 있는 용기에 어떤 기체를 넣으면 새로 들어온 기체가 용기 속에 전체적으로 퍼지는 과정을 말한다.- 분자량 결정보일의 기체 분자 운동론에서 1mol 이상기체의 전체 운동에너지는 다음과 같다.이때 는 아보가드로 수, 은 한 분자 질량 (개 분자 중 하나), 는 속도제곱의 평균값 (의 평균값) 이다.1mol 이상기체의 상태방정식은 다음과 같다.위의 두 식을 정리하면 다음과 같은 식을 얻게 된다.일정한 부피의 기체가 작은 구멍을 통과하는데 걸리는 시간은 분자의 속도에 반비례한다. 따라서 같은 온도와 압력에서 같은 부피를 차지하는 두 기체가 새어 나가는데 걸리는 시간의 비는 다음과 같다.표준 물질로 공기와 산소의 분자량을 이용해 CO2의 분자량을 결정한다.- 분자 지름 결정같은 부피를 가지는 두 기체가 모세관을 통하여 새어 나가는데 걸리는 시간의 비는 점도의 비와 같다.이때 는 평균 속도, 은 평균 자유행로(기체 분자가 관을 빠져나갈 때 거리의 평균), 는 기체의 밀도이다.분자지름 와 평균 자유행로 간의 관계는 다음과 같다.이때 은 기체 1cm3속에 들어 있는 분자의 수를 말한다.위 식들과 모세관을 현상을 이용해 두 기체에서의 분자 지름의 비를 얻으면 다음과 같다.산소를 표준물질로 하여 CO2의 분자 지름을 구한다.2) 확산확산이란 -210-195.7951.25057 x 1032) Apparatus- 기체 유출 측정 장치 (Gas effusion measurement apparatus)- 확산 모세관 (Diffusion)- 백금박 (Platinum foil)- 스탑코크 (Three way stopcock)- 스톱워치 (Stopwatch)- 풍선 (Balloon)- 고무마개 (Rubber stopper)- 스탠드 (Stand)- 클램프 (Clamp)6-1. Procedure(예비)1. 기체유출 측정 장치를 세팅한다.2. 백금박 관을 유출 관에 연결한다.3. 유출 관을 바깥 관에 넣었을 때 물이 넘치지 않을 정도로(2/3) 물을 채운다.4. 코크의 ㅜ, ㅏ, ㅅ 모양을 자유롭게 조절할 수 있게 연습한다.5. 유출 관에 기체의 출입에 따른 부피 변화를 측정하기 위한 끝점을 표시해둔다.6. 풍선에 공기를 채운다.7. 코크를 ㅜ 모양이 되게 하고 기체가 유입되는 쪽 관에 풍서을 꽂고 기체를 유입하여 바깥관의 물을 기체로 포화시킨다. 기체가 물에 유입되어 기체로 포화되면 코크를 ㅅ 모양으로 하여 기체의 유출과 유입을 막는다.8. 코크를 ㅏ 모양으로 하여 기체를 유출시키고 안쪽 관에 표시된 눈금까지 물이 차는 시간을 2회 측정한다.9. 앞서 한 실험과 같은 방법으로 이산화탄소를 이용하여 2회에 걸쳐 물이 차는 시간을 측정한다.10. 유출 관에 꽂아 두었던 백금박 관을 모세관으로 교체하고 같은 방법으로 산소, 질소, 이산화탄소를 이용하여 각각 2회씩 물이 차는 시간을 측정한다.6-2. Procedure(결과)- 1주차 실험1. 스탠드 1개, 클램프 4개, 기체 유출 측정 장치 세트(기체 유출관, 바깥관) 1개, 모세관 및 백금관 Three way stopcock 1개, 풍선, 고무마개, 파라 필름을 준비한다.2. 스탠드와 클램프를 이용해 바깥관을 고정시킨다.3. 기체 유출관을 넣은 상태에서 바깥관에 증류수를 2/3만큼 넣어준다. 실험을 진행할 때 증류수가 넘치지 않도록 양을 조절한다.4. 모세관 Thr체가 최대한 용해되어 포화 상태가 되도록 한다.9. 충분히 용해되었다고 판단되면 풍선을 눌러 기체 유출관 내 증류수가 오목한 부분에 닿도록 한 뒤 백금관 Three way stopcock를 ㅅ 모양으로 돌려 기체가 유출되지 않도록 한다.10. 기체 유출관으로 유입된 기체가 유출되도록 백금관 Three way stopcock를 ㅏ 모양으로 조절한다.11. 바깥관 내 증류수 높이를 표시한 눈금에 기체 유출관의 증류수가 도달하기까지 걸리는 시간을 측정한다.12. O2, N2, CO2 기체를 2회씩 측정한다.13. 지난 주에 측정하지 못한 모세관 Three way stopcock를 이용한 O2 유출 시간은 앞 조의 기록을 사용한다.7. Data sheet1) 분자량 측정[Table 1. 분자량 측정]O2N2CO21차 (s)21.8621.6626.462차 (s)21.9820.5125.92평균 (s)21.9221.08526.19- O2 평균 s- N2 평균 s- CO2 s2) 분자지름 측정[Table 2. 분자지름 측정]O2N2CO21차 (s)188.522212002차 (s)188.46222191평균 (s)188.49221.5195.5- O2 평균 s- N2 평균 s- CO2 s8. Result1) 분자량 측정N2 분자량 측정[Table 3. N 분자량 측정]t1 (s)t2 (s)M1 (g/mol)M2 (g/mol)Data 값21.9221.0853229.6085cal)오차율[Table 4. 오차율]실험값 (g/mol)이론값 (g/mol)N 분자량29.608528.0134오차율 (%)5.7cal)CO 분자량 측정[Table 5. CO 분자량 측정]t1 (s)t2 (s)M1 (g/mol)M2 (g/mol)Data 값21.9226.193245.681cal)오차율[Table 6. 오차율]실험값 (g/mol)이론값 (g/mol)CO 분자량45.68144.009오차율 (%)3.8cal)2) 분자지름 측정N 분자지름 측정[Table 7. N 분자지름 측정]t₁(s)t₂(s)M₁(g/은 뒤에는 기체 유출관으로 유입된 기체가 모세관을 통해 유출되도록 모세관 Three way stopcock를 ㅏ 모양으로 조절했다. 그리고 바깥관 내 증류수 높이를 표시한 눈금에 기체 유출관의 증류수가 도달하기까지 걸리는 시간을 측정했으며 한 번 더 반복하여 진행했다. 질소 기체가 유출하는 데 걸린 시간의 평균값은 221.5초가 나왔고 측정이 끝난 뒤 이산화탄소 기체를 측정했다. 증류수는 다시 동일한 양을 넣었으며 실험을 진행할 때 물이 약간 넘쳐흘러 다시 증류수를 넣고 이어 나갔다. 이산화탄소 기체의 유출도 2회 반복해 진행하였고 그 결과 평균값으로 195.5초가 나왔다.2주차에서는 백금관 Three way stopcock를 이용해서 1주차와 동일한 방식으로 실험을 진행했다. 산소 기체, 질소 기체, 이산화탄소 기체의 유출 시간을 측정하였고 모세관 Three way stopcock를 이용해 측정한 산소의 유출 시간은 앞 조와 데이터를 교환하여 얻었다. 1주차에 사용했던 기체 유출 측정 장치를 다시 사용했는데 바깥관에 그려진 물의 높이가 우리가 그린 것이 아니었다. 2분반에서 그린 것으로 판단한 뒤 실험을 이어갔다. 백금관 Three way stopcock를 사용하여 측정한 산소 기체의 유출 시간은 평균값으로 21.92초가 나왔고, 질소 기체는 21.085초, 이산화탄소 기체는 26.19초가 나왔다. 앞 조에게서 받은 모세관 Three way stopcock를 사용해 측정한 산소 기체의 유출 시간 평균값은 188.49초였다.이 값 중 백금관을 이용해 측정한 값은 분자량을 구할 때, 모세관을 이용해 측정한 값은 분자 지름을 구할 때 사용하였다. 분자량은 산소 기체를 기준으로 사용했고 다음과 같은 공식을 이용해 계산하였다.계산 결과 질소 기체의 분자량은 29.6085g/mol이 나왔고 오차율은 5.7%였으며, 이산화탄소 기체의 분자량은 45.681g/mol, 오차율은 3.8%로 이론값과 근사한 결과를 보였다.분자 지름 또한 산소 기체를 기준으로 사용했고 다음과 같승하며, 빨라진 분자의 운동으로 인해 유출되는 속도 또한 빨라질 것이다. 1주차와 2주차 실험의 온도와 압력은 동일하지 않았고 기준이 되는 산소 기체는 2주차에 실험한 값을 사용했다. 즉 동일하지 않은 배경으로 실험을 진행했기에 오차가 발생하였을 것이다.3) 더 알고 싶은 점- 용해도용질이 용매에 포화 상태까지, 즉 더 이상 용해되지 않는 최고 농도의 상태가 될 때까지 녹을 수 있는 한도를 말한다. 주로 용매 100g에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g을 의미하며 온도, 용매와 용질의 종류 등에 영향을 받는다. 대부분은 온도가 높아질수록 고체의 용해도가 증가하고 기체의 용해도는 감소한다. 기체의 용해도는 압력에도 영향을 받는데 낮은 압력에서 용해도가 크지 않은 기체는 그 기체의 용해도가 부분압력에 비례한다는 헨리의 법칙을 따른다.[5]- 확산과 유출의 차이확산은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질을 이루는 입자들이 이동하는 것이며, 유출은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 분자가 작은 구멍을 통해 이동하는 것이다. 유출에서 분자는 충돌 없이 작은 구멍을 통해 이동해야 하므로 구멍의 직경은 평균 자유 경로보다 작다. 그레이엄의 법칙을 보면 기체가 빠져나가는 속도는 분자량에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다.- 평균 자유 경로평균 자유 경로는 평균 자유 행로라고도 하며 물질 내의 입자가 다른 입자와 충돌하지 않고 움직이는 평균적인 거리이다. 기체의 점성 계수, 열전도율, 확산 계수 등을 평균 자유 행로로 나타낼 수 있고 맥스웰에 의해 산출되었다. 기체 분자가 지금이 d인 구라고 가정할 때 2개의 분자는 중심 사이의 거리가 d 이하로 접근하면 충돌하므로 πd2가 분자 하나의 면적이다. 다 그리고 단위 부피에 nv개의 분자가 존재할 경우 단위 면적에 두께가 t인 부피의 충돌 면적은 πd2nvt가 되며 분자 하나가 t 거리만큼 진행하면 충돌 확률은 1/πd2nvt이 된다. 이에 평균 속력을 보정하면 평균 자유 행로를 구하는 식은 다음과 같으며 평균적으로 1회 충돌하므로 유 행로

자연과학| 2025.03.18| 18페이지| 1,500원| 조회(98)

물리화학실험, 그레이엄의 확산법칙, 기체의 유출

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[물리화학실험 A+]어는점 내림법에 의한 분자량 측정 평가A+최고예요

물리화학실험 실험보고서어는점 내림법에 의한 분자량 측정담당교수담당조교학과학번이름분반조제출일1. Title어는점 내림법에 의한 분자량 측정2. Date실험일: 2024.04.08 (월)3. Purpose용액에서 순수한 용매가 응고되어 나오는 경우 어는점 내림에 의해 용질의 분자량을 측정한다.4. Principle1) 어는점일정한 압력에서 고체와 액체가 평형상태에 놓여 있는 온도를 어는점이라고 한다. 순수한 용매인 경우와 용매에 용질을 가한 용액인 경우 어는점이 서로 다르다. 용매를 냉각시키면 내려가던 온도가 일정하게 유지되고 결정이 생기기 시작하는데 이 온도가 어는점이다. 결정핵이 빨리 만들어지지 않으면 과냉각 현상이 생긴다. 과냉각 현상은 분자가 결정성 고체를 형성하기 위한 규칙적인 배열을 갖지 못했기 때문에 일어나게 된다.용액의 어는점은 순수한 용매와 달리 일정하지 않다. 과냉각이 심하지 않으면 처음으로 결정이 생긴 다음에 온도가 상승하고 이때 제일 높은 온도가 용액의 어는점이 된다. 용액이 모두 고체가 될 때까지 어는점이 계속 낮아지는 이유는 용매 결정이 많이 생길수록 남아 있는 용액이 더 진해지기 때문이다. 순수한 용매와 용액의 어는점 차이는 다음과 같다.: 순수한 용매와 용액의 어는점 차이, m: 용질의 몰랄농도, : 기체상수, : 순수한 용매의 어는점, : 용매의 분자량, : 용매의 몰 녹음열위 식에서 괄호 안의 양들은 모두 용매에만 관련되므로 다음과 같이 고칠 수 있다.는 몰랄 어는점 내림 상수이며 용매의 특성이다. 실험에서는 용매를 1000g을 사용하지 않으므로 위 식을 다음과 같이 바꿀 수 있다.이 식을 분자량 에 대해 풀어 쓰면 다음과 같다.2) 과냉각물질은 온도에 따른 안정상태가 존재해 온도를 서서히 변화시키면 물질의 구성 원자가 안정상태를 유지하며 온도 변화를 따라간다. 그러나 온도가 갑자기 변하면 구성 원자가 안정상태를 따라갈 시간이 부족해 온도 변화 전의 안정상태를 그대로 유지하거나, 일부분이 종점온도의 상태로 변화하다가 멈추는 현상이 -2. Procedure1) 어는점 측정 장치를 가져온다.2) 장치에 물과 얼음을 넣는다.3) 구멍이 하나인 고무 마개에 일반 온도계를 끼우고 구멍이 두개인 고무 마개에 수은 온도계와 작은 젓개를 끼운다.4) 일반 온도계를 끼운 고무마개를 어는점 측정 장치에 장치하고 얼음물의 온도가 9℃가 될 때까지 젓개로 저어준다.5) 비커에 피펫과 피펫 필러를 이용해 벤젠 30mL를 담는다.6) 벤젠 30mL를 시험관에 넣은 뒤 파라필름으로 가지를 막고 위쪽 구멍에 수은 온도계와 젓개를 끼운 고무마개를 끼운다.7) 시험관을 장치 속 얼음물에 담가 시험관 속 벤젠의 온도가 7℃가 될 때까지 저어준다. 장치의 큰 젓개는 빠르게, 시험관 속 작은 젓개는 천천히 젓고 온도계에 닿지 않도록 조심한다.8) 어는점 측정장치에서 시험관을 꺼내 킴테크로 닦은 뒤 에어재킷을 장치에 끼우고 시험관을 넣는다.9) 시험관 속 젓개를 느리게, 장치 속 젓개를 빠르게 저어주면서 30초마다 온도를 측정한다. 과냉각 상태와 어는점을 관찰해 데이터 시트에 함께 적는다.10) 시험관과 에어재킷을 꺼낸 뒤 손의 온도로 벤젠 결정을 녹인다.11) 저울을 이용해 1차 나프탈렌 0.35g을 측정한 뒤 pellet press로 눌러 pellet형태로 만든다.12) 시험관의 고무마개를 열고 나프탈렌을 넣어준다. (원래 가지 부분으로 넣어야 하는데 나프탈렌 크기가 가지 입구보다 커 위쪽 입구로 넣어주었다)13) 시험관의 고무마개를 막고 젓개로 저으며 나프탈렌을 녹여준다.14) 시험관을 장치 속 얼음물에 담가 시험관 속 용액의 온도가 7℃가 될 때까지 두 젓개로 저어준다.15) 어는점 측정장치에서 시험관을 꺼내 킴테크로 닦은 뒤 에어재킷을 장치에 끼우고 시험관을 넣는다.16) 시험관 속 젓개를 느리게, 장치 속 젓개를 빠르게 저어주면서 30초마다 온도를 측정한다. 과냉각 상태와 어는점을 관찰해 데이터 시트에 함께 적는다.17) 시험관과 에어재킷을 꺼낸 뒤 손의 온도로 용액 속 결정을 녹인다.18) 저울을 이용해 2차 나558404.58704.59004.49304.39604.39904.2510204.2510504.2510804.2Solid/supercooling11104.311404.411704.45Solid/freezing point8. Result1) 용매 Benzene의 Freezing point 측정Graph 1. 용매 Benzene의 냉각곡선[Graph 1. 용매 Benzene의 냉각곡선]- 어는점 이론값 : 5.5℃- 어는점 결과값 : 5.5℃- 오차율(%) : 0%Cal)위 식을 이용해 어는점 실험값의 오차율을 구하면 다음과 같다.2) 용매 : Benzene / 용질 : Naphthalene 0.35g (1차)Graph 2. 용매 (Benzene) + 용질 (Naphthalene) 1차 투여 후 냉각곡선[Graph 2. 용매 (Benzene) + 용질 (Naphthalene) 1차 투여 후 냉각곡선][Table 5. (용질의 분자량)구하기 – 용질(Naphthalene) 1차 투입]W1(g)(용매의 무게)W2(g)(용질의 무게)이론값 Kf(K∙kg/mol)실험값 (K)실험 (g/mol)(용질의 분자량)(소수 둘째 자리까지)이론 (g/mol)(용질의 분자량)오차율(%)(소수 둘째 자리까지)26.280.355.120.6113.65128.1711.33* 실험실 온도 : 20℃, Benzene density : 0.876 g/mLCal)- W1 구하기사용한 벤젠의 부피를 벤젠의 밀도를 이용해 무게로 바꿔준다.- W2 구하기나프탈렌을 1차까지 넣었으므로 사용한 용질의 무게는 0.35g이다.- 구하기- 실험 구하기를 구하는 식은 다음과 같다.이 식을 이용하여 용질의 분자량을 구한 값은 다음과 같다.Cal)위 식을 이용해 오차율을 구하면 다음과 같다.3) 용매 : Benzene / 용질 : Naphthalene 0.70g (2차)Graph 3. 용매 (Benzene) + 용질 (Naphthalene) 2차 투여 후 냉각곡선[Graph 3. 용매 (Benzene) + 용질 (N했다. 이때 과냉각 상태와 어는점을 관찰해 데이터 시트에 함께 적어주었다. 순수한 벤젠의 과냉각 상태는 5.3℃였고, 어는점은 5.5℃였다.실험이 끝난 뒤 시험관과 에어재킷을 꺼내고 손의 온도로 벤젠 결정을 녹여주었다. 저울을 이용해 1차 나프탈렌 0.35g을 측정하고 pellet press로 눌러 pellet형태로 만들었다. 원래 시험관의 가지 부분으로 나프탈렌을 넣어야 했는데 크기가 커서 고무마개를 열고 위쪽으로 넣어주었다. 다시 고무마개를 막고 젓개로 나프탈렌을 부수면서 녹였다. 시험관을 장치 속 얼음물에 담가 시험관 속 용액의 온도가 7℃가 될 때까지 두 젓개로 저어주었다. 온도에 도달하면 시험관을 꺼내 킴테크로 닦았고, 에어재킷을 장치에 끼운 다음 시험관을 넣었다. 젓개를 젓는 속도에 주의하면서 30초마다 온도를 측정했다. 이번에도 과냉각 상태와 어는점을 관찰해 데이터 시트에 함께 적었고 1차 나프탈렌과 벤젠의 과냉각 상태는 4.55℃, 어는점은 4.9℃였다.2차 나프탈렌 0.35g을 이용해 위 과정을 반복했다. 그 결과 과냉각 상태는 4.2℃, 어는점은 4.45℃였다. 실험이 끝난 뒤 시험관 속 용액은 유기 폐수통에 버렸고, 용액이 닿은 도구들은 개수대의 물을 틀어 놓은 채 아세톤으로 세척하여 오븐에 넣었다.2주차 실험에서도 위 과정을 반복했다. 그러나 1주차 때처럼 시험관의 온도가 잘 내려가지 않았고, 7℃이하가 된 시험관을 에어재킷에 넣자 온도가 7℃ 이상으로 올라가 다시 냉각시키는 과정을 반복했다. 에어재킷을 따로 냉각시킨 뒤 함께 넣어주어 실험을 진행할 수 있었다. 순수한 벤젠의 과냉각 상태는 5.3℃, 어는점은 5.5℃였다. 1차 나프탈렌과 벤젠의 과냉각 상태는 5.2℃, 어는점은 5.3℃였으며 2차 나프탈렌과 벤젠의 과냉각 상태와 어는점은 시간이 부족해 측정하지 못했다. 시험관에 2차 나프탈렌을 녹인 뒤 실험에 큰 오류가 있었다는 것을 알게 되었다. 장치를 설치할 때 가지 부분을 막은 파라 필름에 구멍이 생겨서 그 위에 한 번 더 필름을 사용하였고 2주차에는 직경이 작은 시험관을 사용했다. 직경이 큰 시험관은 작은 젓개를 위아래로 움직일 때 온도계, 벽과의 마찰이 적었다. 또 용액이 아래 부분에 있어서 평형을 이루는 속도가 빨랐고 얼음물 속에 용액이 모두 담겨 있었다. 그러나 직경이 작은 시험관은 작은 젓개의 구멍에 온도계를 통과해야 위아래로 움직일 수 있을 정도로 직경이 작았다. 따라서 작은 젓개를 사용하면 온도계의 모든 면과 마찰이 일어나 온도가 올라갔다. 또 용액이 시험관의 중간에 있는 고무 링의 1/4위치까지 올라와 있어 평형을 이루는 속도가 상대적으로 느렸고, 장치에 얼음물을 꽉 채워야 용액이 아슬아슬하게 담겼다. 이러한 이유로 인해 용액이 냉각되는 속도가 1주차에 비해 확연히 느려졌고, 어는점과 과냉각 상태 측정에도 오차가 발생했을 수 있다.- 주어진 용매의 밀도값용질의 분자량을 계산하기 위해 사용한 벤젠의 부피를 질량으로 바꿔줬다. 이때 벤젠의 밀도를 실험실의 온도가 20℃일 것이라고 가정하여 주어진 밀도값인 0.876g/mol을 사용했다. 그러나 실제 실험실의 온도를 측정하지 않았기에 20℃가 아니었을 수 있고 이로 인해 분자량 계산에서 오차가 발생했을 것이다.3) 더 알고 싶은 점- 벤젠C6H6의 화학식을 갖는 유기 화합물로 가연성이 있는 무색의 액체이다. 탄소와 수소로 이루어져 있고 연속된 파이결합으로 인한 고리 형태를 띠어 방향족 탄화수소로 분류된다. 벤젠은 6개의 탄소 원자에 3개에 비편재화된 결합을 형성하고 있고, 전자가 분자 사이를 자유롭게 오가는 공명구조를 갖는다. 이 육각형 고리 형태는 다른 방향족 화합물의 기본이 되며 이를 포함하는 화합물은 모두 휘발성이 있고 독특한 향을 지닌다. 벤젠은 살충제, 합성 세제 등 여러 화학 합성품의 연료로 사용되고, 무극성이며 알코올, 에테르, 아세톤 등에 잘 녹아 유기합성공업 원료 등에 사용된다. 그러나 벤젠은 발암물질로 분류되며 암, 골수이상, 급성 백혈병 등 질병의 위험을 증가시킨다. 대부분 흡입을 통해 벤젠을 섭취하므로 작업858,

자연과학| 2025.03.17| 21페이지| 1,500원| 조회(146)

물리화학실험, 어는점 내림법, 어는점 내림법에 의한 분자량 측정

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[물리화학실험 A+]유기산의 흡착 평가A+최고예요

물리화학실험 실험보고서유기산의 흡착담당교수담당조교학과학번이름분반조제출일1. Title유기산의 흡착2. Date실험일: 2024.05.13 (월), 2024.05.20 (월)3. Purpose일정한 온도에서 활성탄에 의한 유기산의 흡착량을 결정하고 Langmiur의 흡착등온식에 적용한다.4. Principle1) 흡착은 수용액 내의 용질을 흡수하는 것이고, 흡수는 용액을 흡수하는 것이므로 흡착에 의해서는 용액의 농도 변화가 생기게 된다. 흡착은 물질 표면에서 일어나는 현상으로 화학적 흡착과 물리적 흡착으로 나뉜다.물리적 흡착은 흡착제 표면과 흡착 분자 사이에 반데르발스 상호 작용이 이루어져 다분자층을 이루고, 흡착에 의해 발생하는 에너지는 응축 엔탈피와 같다. 분자 간 결합이 끊어지지 않으므로 탈착이 가능해 가역성을 갖는다.화학적 흡착은 화학결합이 이루어져 단분자층을 이루고 흡착 에너지가 상당히 크다. 분자 간 결합이 끊어지므로 비가역성을 갖는다.흡착력은 표면적, 온도와 관련되어 있다. 표면이 거친 고체가 매끄러운 액체보다 표면적이 커 흡착량도 크고, 온도가 증가하면 흡착량은 감소한다.묽은 용액에서 고체 표면의 흡착은 Langmuir 등온흡착식을 적용하여 구할 수 있다.위 식에서 는 흡착된 용질의 몰수, 는 흡착제의 무게, 은 단분자막에 대한 포화값, 는 상수, 는 평형농도, 는 상수이다.비흡착는 흡착제의 단위 질량 당 흡착된 용질의 양으로 이 값은 포화점에 이를 때까지 용질의 전체 농도에 의존한다. 위 식의 상수를 결정하기 위해 역수를 취하고 c를 곱해주었다.위 식에서 c와 를 그래프로 도시하면 직선을 얻을 수 있다. 여기에서 얻은 상수를 처음 식에 대입해 를 구한다.2) 흡착흡착은 원자나 분자가 고체 표면에 달라붙는 것을 말하며 이 역과정은 탈착이라고 한다. 흡착되는 물질은 흡착질, 흡착되는 자리를 제공하는 물질을 흡착제 또는 기질이라고 하며 흡착은 표면에서 일어난다.흡착은 두 가지 방식으로 이루어지는데 물리 흡착은 흡착질이 반데르발스 상호작용에 의해 표면에계산한다.2) 100mL 부피 플라스크에 증류수를 조금 넣고, 피펫을 이용해 계산한 양의 HCl을 넣는다.3) 부피 플라스크의 선까지 증류수를 채워 0.2N HCl 용액을 제조한 다음 마그네틱 바를 넣고 파라 필름으로 막은 후 교반한다.4) 500mL 부피 플라스크에 증류수를 조금 넣고, 저울을 이용해 계산한 양의 NaOH를 넣는다.5) 부피 플라스크의 선까지 증류수를 채워 0.1N NaOH 용액을 제조한 다음 마그네틱 바를 넣고 파라 필름으로 막은 후 교반한다.6) 1L 부피 플라스크에 증류수를 조금 넣고, 피펫을 이용해 계산한 양의 CH3COOH를 넣는다.7) 부피 플라스크의 선까지 증류수를 채워 0.5N CH3COOH 용액을 제조한 다음 마그네틱 바를 넣고 파라 필름으로 막은 후 교반한다.8) 제조한 0.5N CH3COOH 용액 1L 중 250mL를 부피 플라스크에 넣는다.9) 제조한 용액과 앞으로 제조할 용액을 모두 라벨링한다.10) 6개의 250mL 부피 플라스크에 증류수를 조금 넣고, 피펫을 이용해 0.35N, 0.25N, 0.175N, 0.125N, 0.0156N, 0.05N 250mL를 제조하기 위해 필요한 0.5N CH3COOH 용액을 각각 넣는다.11) 부피 플라스크의 선까지 증류수를 채워 0.35N, 0.25N, 0.175N, 0.125N, 0.0156N, 0.05N CH3COOH 용액을 제조한 다음 마그네틱 바를 넣고 파라 필름으로 막은 후 교반한다12) 삼각 플라스크에 마그네틱 바를 넣고 피펫으로 0.2N HCl 용액 20mL를 넣는다.13) 제조되어 있던 페놀프탈레인 용액을 스포이드로 3방울 정도 넣어준다.14) 뷰렛에 깔때기를 이용해 0.1N NaOH 용액을 채운다.15) 스탠드에 뷰렛을 설치한 뒤 플라스크를 교반하면서 뷰렛의 0.1N NaOH용액으로 적정한다. 용액의 색이 투명해지지 않을 때까지 적정해야 한다.16) 12)~15)을 한 번 더 반복한다.17) 전자 저울을 이용해 활성탄 2g을 정확하게 측정하여 250mL 삼각 플라스75N10㎖1513.90.125N25㎖29.426.40.0156N50㎖64.40.05N50㎖20.419.28. Result1) 용액제조Cal)❶ CH3COOH 1L 제조 및 활성탄을 넣는 용액들 제조노르말 농도는 몰 농도 당량수이다. CH3COOH의 당량수는 1이므로 0.5N CH3COOH의 몰 농도는 0.5M CH3COOH이다. CH3COOH의 M.W는 60.052g/mol, 밀도는 1.049g/mL이고 사용한 시약의 순도는 99.5%이다. 따라서 0.5N CH3COOH 1L를 제조하기 위해 사용한 99.5% CH3COOH의 부피는 다음과 같다.0.5N, 0.35N, 0.25N, 0.175N, 0.125N, 0.0156N, 0.05N CH3COOH 250mL를 제조하기 위해 필요한 0.5N CH3COOH의 부피는 NV=N’V’ 공식을 사용해 구한다.0.35N CH3COOH 250mL0.25N CH3COOH 250mL0.175N CH3COOH 250mL0.125N CH3COOH 250mL0.0156N CH3COOH 250mL0.05N CH3COOH 250mL❷ NaOH 0.1N 500㎖ 제조0.1N NaOH 500mL를 제조하기 위해 사용한 97% NaOH의 질량은 다음과 같다.❸ HCl 0.2N 100㎖ 제조0.2N HCl 100mL를 제조하기 위해 사용한 35% HCl의 부피는 다음과 같다.2) 1주차 산-염기 적정[Table 5. 산-염기 적정량 & 농도]No.사용한 0.2N HCl의 양(㎖)0.1N-NaOH적정량 (㎖)NaOH표준화 농도 (N)12034.30.1166220350.1143평균2034.650.1154Cal)- 1차 NaOH표준화 농도- 2차 NaOH표준화 농도- 평균 NaOH표준화 농도3) 제조한 식초산 용액의 농도[Table 6. 제조한 식초산 용액의 농도]농도(N)취한 부피(㎖)적정 부피(㎖)실제농도(N)0.5521.90.50550.351029.30.33810.251021.70.25040.17510150.17310.1252529.40.1512.6250.229912.2250.168111.7760.127711.2890.04648.6730.01063.890cal)평형농도 C와 위에서 얻은 , 를 식에 대입해 (x/w)의 이론값을 계산한다.- 0.5N CH3COOH의 (x/w) 이론값- 0.35N CH3COOH의 (x/w) 이론값- 0.25N CH3COOH의 (x/w) 이론값- 0.175N CH3COOH의 (x/w) 이론값- 0.125N CH3COOH의 (x/w) 이론값- 0.05N CH3COOH의 (x/w) 이론값- 0.0156N CH3COOH의 (x/w) 이론값[graph 2. c-x/w 비교곡선]8) 오차율cal)오차율을 구하는 공식은 다음과 같다.- 0.5N CH3COOH의 x/w 오차율- 0.35N CH3COOH의 x/w 오차율- 0.25N CH3COOH의 x/w 오차율- 0.175N CH3COOH의 x/w 오차율- 0.125N CH3COOH의 x/w 오차율- 0.05N CH3COOH의 x/w 오차율- 0.0156N CH3COOH의 x/w 오차율9. Discussion1) 고찰이번 실험에서는 활성탄을 사용했을 때 acetic acid의 흡착량을 구해보았다. 실험은 2주간 진행되었고 1주차에는 NaOH의 표준화, 표준 NaOH로 농도 별 acetic acid의 적정, 농도 별 acetic acid에 활성탄 넣기를 진행했다. 먼저 표준화에 사용할 0.2N HCl 100mL와 0.1N NaOH 500mL를 부피 플라스크를 이용해 제조했다. 이때 HCl은 약 1.8mL를, NaOH는 2.062g을 넣고 용액을 제조한 뒤 교반했다. 그 후 0.2N HCl 20mL를 삼각 플라스크에 담아 마그네틱바와 페놀프탈레인 용액을 3방울 넣고 교반기에 놓았다. 0.1N NaOH용액은 뷰렛에 담아 스탠드에 설치한 다음 HCl이 든 플라스크에 넣을 수 있게 위치를 조절했다. 교반기를 킨 다음 적정을 실시했고 이를 두 번 반복한 결과 각각 34.5mL와 35mL가 사용되었고 평균은 34.65mL임을 알 수 있었다. 에 사용한 활성탄을 넣은 CH3COOH용액 부피, NaOH용액 부피를 이용해 평형농도를 계산했다. 0.5N, 0.35N, 0.25N, 0.175N, 0.125N, 0.05N, 0.0156N별 평형농도는 0.4815N, 0.33315N, 0.2299N, 0.1277N, 0.0464N, 0.0106N임을 알 수 있었고 이 값을 당량으로 나눈 뒤 적정에 사용한 활성탄을 넣은 CH3COOH용액 부피를 곱해 흡착된 CH3COOH의 몰수를 구했다. 0.5N, 0.35N, 0.25N, 0.175N, 0.125N, 0.05N, 0.0156N별 몰수는 0.002409mol, 0.003315mol, 0.002299mol, 0.001681mol, 0.003192mol, 0.00232mol, 0.00053mol이다. 몰수는 x/w 실험값을 구하기 위해 2g으로 나눴고 그 결과 , , , , , , 임을 알 수 있었다. 이 값을 평형농도에서 나눠 C/(x/w)를 구한 뒤 평형농도를 x축으로, C/(x/w)를 y축으로 하는 그래프를 그린 다음 추세선의 식을 얻었다. 식은 y=733.27x+19.469였고 733.27을 1/N으로, 19.469를 1/Nk로 두어 N과 k의 값을 구한 결과 N=0.0013637, k=37.664가 나왔다. 이 값과 평형농도를 등온식에 대입해 x/w이론값을 계산하였다. 값은 , , , , , , 이 나왔고 이 값과 앞에 구한 실험값을 이용해 오차율을 구한 결과 6.8%, 31.3%, 6%, 28.6%, 41.4%, 33.7%, 31.9%임을 확인하였다.실험에서 오차율이 꽤 크게 나타났다. 그 원인은 활성탄이 섞인 용액의 흔들림, 표준화에 사용한 시약의 양, 적정한 후 용액의 색상 차이 등이 있으며 아래에 자세히 서술하겠다.2) 오차의 원인- 활성탄을 넣은 플라스크의 흔들림활성탄을 넣은 플라스크를 흔들면 활성탄이 흡착한 용질이 다시 용액으로 돌아와 농도가 높아진다. 후드에서 활성탄을 넣은 용액을 가져올 때 흔들리지 않게 가져오지 않고 평소와 같이 가져왔었다. 흡착제

자연과학| 2025.03.17| 28페이지| 1,500원| 조회(128)

물리화학실험, 유기산의 흡착, Langmuir 등온식

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[물리화학실험 A+] 표면장력

물리화학실험 실험보고서표면장력담당교수담당조교학과학번이름분반조제출일1. Title표면장력2. Date실험일: 2024. 3. 18 (월)3. Purpose모세관법과 장력계법에 의하여 액체의 표면장력을 결정하는데 있다.4. Principle1) 표면장력표면을 내부로 잡아당겨 표면적의 증가를 억제하는 힘이다. 용기 속의 액체에서 액체 내부에 있는 분자는 다른 분자들에 의해 모든 방향에서 동일한 인력을 받아 안정적인 반면 액체 표면에 있는 분자는 표면 아래에 있는 분자들에 의해 인력을 받아 내부의 분자들보다 덜 안정적이다.따라서 물이 구형인 이유는 액체는 표면에 있는 분자 수를 적게 해 표면적을 최소화하기 위해서이며, 구형일 때가 표면적이 가장 적기 때문이다. 표면장력은 분자 간의 인력이 큰 액체일수록 크고 액체의 온도가 증가하고 분자 간의 열운동이 증가할 때 감소한다.모세관법은 액체의 분자와 유리 벽 사이의 힘이 물 분자간의 인력에 비해 강한 점을 이용했다. 모세관을 용액의 표면에 넣으면 액체가 모세관 속으로 올라온다. 이 높이를 측정해 표면장력을 구하며 식은 다음과 같다.이때 은 표면장력, 는 액체가 상승한 높이, 는 액체의 밀도, 는 중력 가속도, 은 모세관 반지름, 는 액체의 막과 모세관 벽 사이의 접촉각이다. 접촉각은 거의 0도이므로 는 거의 1이 되어 식은 으로 정리된다. 이 식에 대입하면 모세관법을 이용한 표면장력을 구할 수 있다.장력계법은 장력계의 백금선을 액체의 표면으로부터 끌어내는데 필요한 힘을 측정하는 것이다. 다이얼을 조절해 충분한 힘이 가해지면 백금선이 액체로부터 나오게 되는데 이 때의 눈금을 읽어 표면장력을 구할 수 있다. 다이얼의 눈금은 표면장력 단위로 보정해야 하는데 식은 다음과 같다.y값을 구해 표면장력 측정값과 곱하면 장력계법을 이용한 표면장력을 구할 수 있다.2) 계면장력과 표면장력계면장력은 물질의 고체, 액체, 기체 상태 중 서로 다른 2가지 상태의 물질이 서로 만났을 때 경계면의 넓이를 감소시키려고 하는 힘이다. 표면장력과 비슷하thanolC2H6O94.546.07-114.378.40.7892) Apparatus1. 장력계 (Tensiometer)2. 피펫 (Pipet)3. 피펫 필러 (Pipet filer)4. 파라필름 (Parafilm)5. 모세관 (Capillary Tube)6. 샬레 (Petri dish)7. 삼각 플라스크 250ml (Erlenmeyer Flask 250ml)6-1. Procedure(예비)- 모세관법1) 모세관을 시험관 중앙에 위치하도록 조절한다.2) 에탄올(100, 80, 60, 40, 20, 10, 0 wt%)을 각각 시험관에 넣는다.3) 올라오는 각각 액체의 높이를 측정한다.- 장력계법1) 장력계의 다이얼을 0 위치에 놓고 토오숀 지레를 수평으로 한다.2) 유리접시 안의 액체를 고리에 접촉시킨다.3) 다이얼을 돌려서 액면에서 고리가 떨어질 때의 다이얼 눈금을 기록한다.4) 다이얼 눈금 보정은 증류수를 사용한다.6-2. Procedure(결과)- 모세관법1) 250mL 삼각 플라스크 5개, 피펫, 피펫 필러, 파라 필름, 샬레, 모세관을 준비한다.2) 자와 네임펜을 이용해 모세관 7개에 3mm 간격으로 눈금을 표시한다.3) 250mL 삼각 플라스크에 전체 질량 20g을 기준으로 (10wt%, 20wt%, 40wt%, 60wt%, 80wt%, 100%)에탄올 +증류수 용액을 제조 후 파라 필름으로 막는다. 이때 필요한 에탄올 양은 부피로 구한다.4) 샬레에 용액을 10g 담는다.5) 모세관을 샬레의 표면에 접촉시켜 용매가 올라가는 높이를 3회 측정한다. (모세관을 털고 킴테크로 닦아 2회 더 반복하며 모세관을 샬레에 깊이 넣지 않는다.)6) 사용한 유리관은 통에 버리고 샬레의 용액은 폐기 후 다음에 측정할 용액을 소량 사용하여 세척한다.7) 제조한 용액을 이용해 4~6 과정을 반복한다.- 장력계법1) 장력계의 빨간 원 중앙에 물방울이 위치하도록 하여 수평을 맞춘다.2) 백금선을 지레에 올린다.3) 장력계의 다이얼을 0으로 놓고, 지레와 빨간선이 일치하도록 표면장력용액 (wt%)평균값 (h)(cm)밀도 (d)* (g/cm3)중력가속도 (g)(m/s2)모세관 내경 (2r) (mm)(계산주의)표면장력(γ)(dyne/cm)(소수 넷째자리 까지)D.W2.40.998239.81.270.435110% EtOH1.70.9818749.073920% EtOH1.350.9686438.445340% EtOH1.120.9351830.793660% EtOH10.8911326.199280% EtOH0.950.8434423.5573100% EtOH0.90.7893420.8859* 밀도(d) (g/cm3): 실험온도 20℃Cal)표면장력을 구하는 식은 다음과 같다.모세관 내경을 cm단위로 바꾸고 r 값을 구하면 0.06cm이다.- D.W 용액 표면장력-10% EtOH 용액 표면장력-20% EtOH 용액 표면장력-40% EtOH 용액 표면장력-60% EtOH 용액 표면장력-80% EtOH 용액 표면장력-100% EtOH 용액 표면장력1-2) 오차율(%)용액 (wt%)실험값 (γ) (dyne/cm)이론값 (γ)* (dyne/cm)오차율 (%)(소수 둘째자리 까지)D.W70.435172.753.1810% EtOH49.073952.496.5120% EtOH38.445346.7317.7340% EtOH30.793637.0416.8660% EtOH26.199229.3610.7780% EtOH23.557323.271.23100% EtOH20.885922.276.22*이론값(γ) (dyne/cm): 실험온도 20℃Cal)오차율을 구하는 공식은 다음과 같다.- D.W 용액 표면장력 오차율-10% EtOH 용액 표면장력 오차율-20% EtOH 용액 표면장력 오차율-40% EtOH 용액 표면장력 오차율-60% EtOH 용액 표면장력 오차율-80% EtOH 용액 표면장력 오차율-100% EtOH 용액 표면장력 오차율1-3) 용액 조성 변화에 따른 표면장력 그래프 도시- EtOH wt% 조성 대 모세관법의 실험값과 이론값 도시2) 장력계법2-1) 보정상수 결정보정면장력을 측정하는 실험이었다. 모세관법에는 증류수, 10wt%, 20wt%, 40wt%, 60wt%, 80wt%, 100wt% 에탄올 용액을 사용했고 장력계법에는 증류수와 100wt% 에탄올 용액만 사용했다. 먼저 용액 20g을 제조하기 위해 필요한 에탄올의 양을 계산했다. 삼각 플라스크에 각각 2.5mL, 5mL, 10mL, 15mL, 20mL의 에탄올을 넣었고 증류수 18mL, 16mL, 12mL, 8mL, 4mL를 넣어 용액을 만든 뒤 파라 필름으로 입구를 막았다. 샬레에 용액을 10mL씩 담아 실험을 진행했다. 모세관을 이용해 3번 측정한 뒤 용액을 버리고 다음에 사용할 용액으로 세척한 뒤 다시 10mL를 담아 실험을 이어갔다. 제조한 용액과 증류수, 에탄올 100wt% 용액까지 측정한 뒤 증류수와 에탄올 100wt% 용액을 가지고 장력계로 갔다. 설명을 듣고 장력계를 이용해 두 용액의 표면장력을 각각 3번씩 측정했다. 지레가 빨간선과 일치하도록 하고 백금선이 용액의 표면에 막 닿았을 때 실험을 진행했다. 다이얼을 돌려 백금선이 용액에서 떨어지는 순간의 눈금을 읽었고 위 과정을 반복하였다. 모세관을 이용해 측정한 길이는 평균값을 내어 공식에 대입해 표면장력을 구했다. 장력계를 이용해 측정한 표면장력은 이에 보정상수를 곱해 정확한 값을 구했다. 모세관을 이용해 측정한 표면장력은 증류수 70.4351dyne/cm, 10wt% EtOH 49.0739dyne/cm, 20wt% EtOH 38.4453dyne/cm, 40wt% EtOH 30.7936 dyne/cm, 60wt% EtOH 26.1992dyne/cm, 80wt% EtOH 23.5573dyne/cm, 100wt% EtOH 20.8859dyne/cm이었고 장력계를 이용해 측정한 표면장력은 증류수 72.7509dyne/cm, 100wt% EtOH 28.4672dyne/cm이었다. 모세관법을 통해 구한 표면장력의 오차율은 1.23%부터 17.73%까지 다양했다. 그리고 장력계법을 통해 구한 표면장력의 오차율은. 따라서 에탄올의 퍼센트가 높았던 60wt% 용액이나 80wt% 용액은 에탄올이 휘발되어 제조했던 농도보다 낮게 변화했을 것이다. 이로 인해 표면장력 값에 오차가 발생했을 수 있다.- 의 값모세관법의 표면장력을 구하기 위한 공식을 유도할 때 접촉각 는 대부분의 경우 0도이기에 는 거의 1이 되고 식에서 정리된다. 그러나 실제 실험을 진행할 때 접촉각이 정확한 0도였을리 없기 때문에 공식에서 정리한 부분에 의해 표면장력 값에 오차가 발생했을 수 있다.3) 더 알고 싶은 점- 접촉각접촉각은 고체 표면과 액체 표면이 이루는 각으로, 액체가 고체 표면위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 액체와 고체가 접촉하는 선에서 힘의 균형이 이뤄지기 위해 나타난다. 고체 표면이 젖는 정도를 나타내는 척도이며 낮은 접촉각은 높은 친수성을, 높은 접촉각은 낮은 친수성을 나타낸다. , , 은 각각 액체와 기체, 고체와 기체, 고체와 액체 상호간의 벡터로 표면 에너지를 나타내고, 서로 간의 상호 작용이 클수록 그 값은 작다. 접촉각과 , , 사이의 관계는 Young의 방정식으로 나타낼 수 있다.[4]- 계면활성제계면 사이의 표면장력을 감소시키는 역할을 하며, 물에 잘 녹는 친수성 머리와 기름에 잘 녹는 소수성 꼬리를 가지고 있는 유기 화합물이다. 계면활성제는 일정 농도 이상에서 분자들끼리 모여 미셀이라는 구조를 형성한다. 미셀이 물에서 형성될 때, 계면활성제의 소수성 부분은 중심부로 모여 핵을 형성하고 친수성 부분은 외곽 부분을 형성한다.소수성 물질이 닿으면 미셀의 안쪽 부분에 위치하게 되어 안정화되고 물에 녹게 되는데 이것이 세제 작용의 기본 원리이다. 계면활성제는 세제뿐만 아니라 유화제, 습윤제, 발포제 등으로도 쓰인다.[5]10. Reference[1] Hyperlink "https://www.doopedia.co.kr/doopedia/master/master.do?_method=view&MAS_IDX=101013000750232" https://www.doopedia.co.kr/

자연과학| 2025.03.17| 17페이지| 1,500원| 조회(138)

표면장력, 물리화학실험, 모세관법, 장력계법

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