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[서울대학교 화학 실험] 이산화탄소의 분자량 실험 예비리포트 및 과제

이산화탄소의 분자량 실험 예비리포트 및 과제목차1. Abstract2. Introduction3. Materials and apparatus4. 과제5. References1. Abstract분자는 여러 원자로 구성된 입자로 한 분자를 구성하는 원자들의 개수를 알기 위해 분자량이 매우 중요하다. 본 실험은 드라이아이스의 승화로 생성된 이산화탄소 기체를 하방치환으로 포집하여 무게를 구한 후, 두 가지 방법으로 이산화탄소의 분자량을 측정하고자 한다. 첫 번째는 이상기체 상태 방정식의 몰수를 분자량과 질량으로 표현한 후, 분자량을 제외한 나머지 변수들의 값을 대입하는 것이다. 두 번째는 같은 부피, 온도, 압력 조건에서 공기와 이산화탄소의 무게비가 아보가드로의 원리에 의해 분자량의 비와 같다는 사실을 이용한다. 본 실험을 통해 이상기체 상태 방정식, 아보가드로의 원리 등 기체 법칙에 관한 이해가 제고될 것으로 생각된다. 또한, 이산화탄소는 승화점이 낮아 액체 상태를 보기 힘들다. 본 실험은 고압을 견딜 수 있는 타이곤 튜브에 드라이아이스를 넣어 액체 상태의 이산화탄소를 관찰하고자 한다. 이는 드라이아이스의 승화로 튜브 내 압력이 높아지기 때문에 가능하다. 이를 통해 물질의 상에 대한 이해도 넓힐 수 있을 것으로 사료된다.2. Introduction2.1. 이산화탄소의 분자량 측정분자는 물질의 고유한 성질을 가진 가장 작은 입자로 여러 원자의 조합으로 형성된다.[1] 우리 주위의 세계는 분자의 세계라고 부를 만큼 지구상 대부분의 물질들은 원자들이 결합한 상태로 존재한다.[2] 따라서 분자량은 분자 내 구성 원자들의 비율을 파악할 수 있는 중요한 값이다. 본 실험은 이산화탄소의 분자량을 구하고자 하며, 이를 위해 이상기체 상태 방정식과 아보가드로의 원리 등을 활용한다.1811년 아보가드로는 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙과 아보가드로의 원리를 종합하여 분자의 개념을 처음 제시했다. 게이뤼삭은 1809년 기체들의 화학 반응을 통해 다른 기체가 생성되면, 반응에 관련된 모든 기체의 부피에는 간단한 정수비가 성립한다는 사실을 알아냈다. 이를 기체 반응의 법칙이라고 한다. 그는 여러 반응에서 기체들의 부피를 측정하여 이를 증명했다. 예를 들어, 수소와 산소의 반응으로 물이 생성되는 경우 수소, 산소, 물(수증기)의 부피비는 2:1:2이다. 만약 수소와 산소가 원자 상태로 존재한다면 산소 원자가 반으로 쪼개지기 때문에 이 현상을 설명할 수 없다. 따라서 아보가드로는 기체의 종류와 관계없이 온도와 압력이 같은 조건에서 동일한 개수의 분자들이 같은 부피를 차지한다는 아보가드로의 원리를 제안했으며, 이를 통해 분자라는 개념이 등장하게 되었다.[3]아보가드로의 원리 이전에도 기체의 성질과 관련된 여러 기체 법칙들이 발견되어왔다. 일정 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 보일의 법칙과 일정 압력에서 일정량의 기체의 부피는 온도에 비례한다는 샤를의 법칙이 그러하다.[4] 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 아보가드로의 원리를 모두 종합하면 기체의 분자 개수, 부피, 온도, 압력 간의 관계를 하나의 방정식으로 표현할 수 있다. 이를 이상기체 상태 방정식이라고 하고, 식은 아래와 같다.PV`=`nRT#(A1)(P: 온도, V: 부피, n: 몰수, R: 기체상수, T: 절대온도)식(A1)에서 몰수를 질량과 분자량으로 표현하면 다음과 같다.PV`M=`WRT#(A2)(P: 온도, V: 부피, M: 분자량, W: 질량, R: 기체상수, T: 절대온도)본 실험은 2가지 방법을 이용해 이산화탄소의 분자량을 구할 것이다. 첫 번째는 이상기체 상태 방정식을 이용한 방법으로 이산화탄소의 무게, 플라스크 내 기체의 부피, 실험실의 온도 및 압력을 식(A2)에 대입한다. 두 번째는 공기의 밀도를 이용한다. 밀도는 단위 부피당 질량으로 아보가드로의 원리에 의해 같은 부피, 온도, 압력에서는 밀도가 질량값으로만 결정된다. 따라서 아래의 비례식으로 이산화탄소의 분자량을 알 수 있다.공기의 무게: 이산화탄소의 무게 = 공기의 평균 분자량: 이산화탄소의 분자량 (A3)위의 두 가지 방법을 위해서는 이산화탄소의 무게 측정이 선행되어야 한다. 본 실험은 드라이아이스의 승화로 생성된 이산화탄소 기체를 하방치환 방식으로 포집하여 무게 측정을 진행한다. 이산화탄소 기체가 공기보다 무거워서 공기와 뒤섞이지 않고 플라스크를 이산화탄소 기체로 채울 수 있기 때문이다. 이러한 과정을 통해 이산화탄소의 분자량을 측정함으로써 아보가드로 원리 등 기체 법칙에 대한 이해를 넓히고 이상기체 상태 방정식의 활용법을 체득할 것으로 생각된다.2.2. 액체 이산화탄소의 관찰상도표는 압력과 온도에 따라 결정되는 가장 안정한 상을 요약한 지도이다. 상도표의 ‘고체,’ ‘액체,’ ‘기체’ 영역은 각 상태의 가장 안정한 온도와 압력 조건을 보여주며, 영역들을 분리해주는 선을 상경계라고 한다. 두 영역 간 경계선 상의 점에서는 이웃하는 두 상이 동적 평형을 이루며 공존한다. 또한, 세 개의 상 경계선이 만나는 점은 삼중점이라 하고 이 지점에서는 세 가지 상이 상호 동적 평형 상태에 있다.[5] 본 실험에서 사용하는 이산화탄소의 상도표는 아래 그림1과 같다.그림1. 이산화탄소의 상도표.고체 상태의 이산화탄소, 드라이아이스는 매우 낮은 승화점을 가지고 있어 고체에서 기체로의 상변화가 빠르게 일어난다. 따라서 본 실험은 평상시에 접하기 힘든 액체 상태의 이산화탄소를 관찰하고자 한다. 또한, 액체 상태의 이산화탄소는 온도를 낮추는 것보다 압력을 높일 때 더 관찰하기 쉽다. 그러므로 실험에서는 높은 압력을 견딜 수 있는 타이곤 튜브를 이용한다. 타이곤 튜브에 드라이아이스를 넣고 양쪽을 철 조임새로 조이면 드라이아이스가 승화하면서 이산화탄소의 압력이 증가한다. 삼중점에 도달하게 되면 고체, 액체, 기체 사이의 평형이 이루어져 액체 이산화탄소를 확인할 수 있다.[6] 이를 통해 물질의 상변화에 대한 이해를 높이고 상도표를 읽는 방법 또한 학습할 수 있다.3. Materials & apparatus3.1. 이산화탄소의 분자량 측정드라이아이스, 전자저울, 삼각 플라스크, 유리판, 약수저, 메스실린더, 온도계, 스탠드, 망치, 목장갑을 이용한다. 삼각 플라스크는 50mL, 100mL, 250mL를 사용한다.3.2. 액체 이산화탄소의 관찰드라이아이스, 타이곤 튜브, 약수저, 철 조임새 2개, 니플, 망치, 십자 드라이버, 깔때기, 파라필름, 테플론 테이프, 목장갑을 이용한다.4. 과제4.1.(1) 이상기체 상태 방정식(P: 온도, V: 부피, n: 몰수, R: 기체상수, T: 절대온도)이상기체 상태 방정식은 아래와 같다.PV`=`nRT#(B1)4.1.(2) 이상기체 상태 방정식으로 기체의 분자량을 구하는 식 유도(P: 온도, V: 부피, n: 몰수, M: 분자량, W: 질량, R: 기체상수, T: 절대온도)몰수는 다음과 같이 표현할 수 있다.n`=` {W} over {M} (B2)식(B2)을 식(B1)에 대입하면 아래와 같다.PV`=` {WRT} over {M} (B3)식(B3)을 분자량에 대해 정리하면 다음과 같다.M`=` {WRT} over {PV} (B4)4.2.(1) 드라이아이스를 넣은 플라스크의 질량으로부터 이산화탄소의 질량 계산이 가능한 이유 및 승화가 끝난 후 오랜 시간이 지나면 오차가 커지는 이유이산화탄소 기체는 공기보다 무거워서 플라스크에 넣은 드라이아이스가 승화되면, 이산화탄소 기체는 공기와 섞이지 않고 아래로 내려가 플라스크를 채우게 된다.[7] 따라서 드라이아이스를 넣은 플라스크의 질량을 측정하면 플라스크 내의 이산화탄소 질량 계산이 가능하다.하지만, 승화가 마무리된 후 긴 시간이 지나면 오차가 커지게 된다. 이는 이산화탄소 기체가 플라스크 내에 그대로 존재하지 않고 이산화탄소의 농도가 낮은 플라스크 외부로 확산되기 때문이다. 따라서 이산화탄소 기체는 플라스크 밖으로 유출되고 외부의 공기는 플라스크 내부로 유입된다. 시간이 지날수록 더 많은 기체 분자들이 이동함으로 측정된 이산화탄소의 질량이 실제값보다 더 작아질 것이며, 오차가 커질 것이다.4.2.(2) 공기 무게 계산 이유공기의 부력을 보정하기 위해서 계산하는 것이다. 이산화탄소의 분자량 측정 실험에서는 다음과 같은 과정을 거쳐 이산화탄소의 무게를 계산한다. 처음 측정한 질량은 플라스크, 공기, 유리판의 질량으로 드라이아이스 넣기 전을 말하고 두 번째 측정한 질량은 드라이아이스를 넣은 후로 플라스크, 이산화탄소, 유리판의 총 질량이다.① 처음 측정한 질량(W1): 플라스크 + 공기 + 유리판의 질량② 두 번째 측정한 질량(W2): 플라스크 + 이산화탄소 + 유리판의 질량이산화탄소의 질량을 계산하기 위해서는 (W2-W1)에 공기의 질량을 더해야 한다.③ 이산화탄소의 질량 = W2 ? W1 + 공기의 질량

자연과학| 2021.04.04| 7페이지| 1,000원| 조회(526)

서울대학교, 이산화탄소 분자량, 화학실험레포트

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[서울대학교 화학 실험] 이산화탄소의 헨리상수 측정 실험 보고서 및 과제

이산화탄소의 헨리 상수 측정 예비리포트 및 과제서울대학교 화학실험목차-Introduction-Method-과제-References1. Introduction본 실험은 1기압의 이산화탄소와 평형을 이룬 것으로 생각되는 탄산수를 만든 후, NaOH 용액으로 적정하여 이산화탄소의 헨리 상수를 구하고자 한다. 이산화탄소의 용해가 원시 바다에서의 광합성, 탄산수, 해양산성화 및 산성비 등 다양한 방면과 긴밀한 관계를 맺고 있다는 측면에서 이산화탄소의 헨리 상수 측정은 의의가 있다. 이 과정을 통해 기체의 용해, 헨리의 법칙, 산-염기 적정 등에 관한 이해가 제고될 것으로 생각된다.[1]기체의 용해도는 크게 온도와 압력, 이 2가지 요인에 의해 결정된다. 첫째, 기체의 용해도는 온도가 낮을수록 증가한다. 본래 기체는 용매에 녹아있기보다는 기체로 존재할 때 안정하기 때문에 온도가 높아져 운동에너지가 증가하게 되면 용매와의 상호작용을 끊고 기체로 빠져나오게 된다.[2] 둘째, 기체의 부분압력이 높을수록 용해도가 커진다. 용매에 잘 녹지 않는 난용성 기체의 경우, 용해도는 액체 표면 위에 가해지는 압력에 의존한다. 따라서 기체의 압력이 증가함에 따라 기체 분자들이 용매에 부딪히는 속도가 빨라져 용매 안으로 녹아 들어갈 확률이 커진다.[3] 즉, 기체의 용해도는 부분압력에 정비례하게 되는데 이를 헨리의 법칙이라고 한다. 헨리의 법칙은 다음과 같이 표현할 수 있다.M`=`K _{H} ` TIMES `P (A1)(M: 몰농도, KH: 상수, P: 부분압력)상수K _{H} `는 헨리 상수라고 하며, 이는 기체, 용매, 온도에 의존하는 값이다.[4]본 실험은 드라이아이스를 물에 집어넣고 모두 승화시켜 1기압의 이산화탄소와 평형을 이룬 것으로 생각되는 탄산의 포화용액을 제조할 것이다. 이 경우, 물에 녹은 이산화탄소가 상온에서 1기압의 이산화탄소 기체와 평형을 이루게 되므로 식(A1)에서의 P값은 1atm이다.[5] 따라서 이산화탄소의 몰농도를 구하면 이산화탄소의 헨리 상수 측정이 가능하다. 또한, 용해도는 온도에 의해서도 영향을 받음으로 상온의 유지가 필요하다.이산화탄소의 몰농도는 산-염기 적정을 활용해 구할 수 있다. 적정은 특정 화학종의 농도 결정을 위한 정량 분석법으로 산-염기 적정에서는 중화반응으로 인한 pH의 변화를 살펴본다. 적정에서는 당량점에 도달하기까지 넣어준 적정 시약의 양을 계산하여 농도를 결정한다. 여기서 당량점은 분석 물질과의 반응이 완결되는 지점으로 산-염기 적정에서는 OH-의 양과 H3O+의 양이 같아진다.[6] 그리고 넣어준 지시약의 색깔 변화로 당량점을 검지할 수 있다. 본 실험에서는 페놀프탈레인 지시약을 넣은 탄산의 포화용액을 NaOH 용액으로 적정할 것이다.한편, 탄산은 수용액에서 다음과 같은 반응이 일어난다.H2CO3(aq) ? H+(aq) + HCO3-(aq), Ka1=4.3×10-7HCO3-(aq) ? H+(aq) + CO32-(aq), Ka2=5.6×10-11위에서 확인할 수 있듯이 탄산의 Ka2는 Ka1보다 매우 작고 이로 인해 탄산의 이차 해리는 일차 해리에 비해 거의 일어나지 않는다. 또한, 본 실험의 적정 과정에서 NaOH가 HCO3-와 반응하기 위해서는 H2CO3가 모두 소모되어야 한다. 따라서 H2CO3는 NaOH의 OH- 수만큼만 반응하므로 H2CO3와 NaOH의 반응비는 1:1이고, 1차 당량점을 구하면 아래의 식을 통해 이산화탄소의 몰농도를 계산할 수 있다.n = M1V1 = M2V2(A2)(n: 몰수, M: 몰농도, V: 부피)아래 첨자 1은 NaOH 용액을, 아래 첨자 2는 탄산수를 뜻한다. 다만, 당량점은 이론적인 값으로 실험적으로 검출된 값과 반드시 일치하지는 않는다. 실험을 통해 측정한 당량점은 종말점이라 하며, 이 둘의 차이로 인해 오차가 발생하게 된다.[7] 이는 바탕 적정으로 보정이 가능하다. 바탕 적정은 분석하고자 하는 물질을 제외하고 적정하면 된다. 본 실험도 더 정확한 이산화탄소의 몰농도, 즉 이산화탄소의 헨리 상수 측정을 위해 바탕 적정을 시행할 것이다.2. Method50mL 플라스크, 30mL 바이알 두 개, 뷰렛, 스탠드, 5.0mL 홀피펫, 스포이트, 폴리글로브, 드라이아이스, 증류수, 페놀프탈레인 지시약, 파라필름, 교반기, 교반자석, 핀셋, 온도계, 50mM의 프탈산 수소 포타슘(KHP) 용액, NaOH 용액을 사용한다. 50mM의 KHP 용액을 NaOH 용액으로 적정하여 NaOH 용액을 표준화한 후, 1기압의 이산화탄소와 평형을 이룬 탄산의 포화용액을 제작하고 이를 NaOH 용액으로 적정할 것이다.1) NaOH 용액의 표준화① 50mM KHP 용액 5.0mL를 50mL 플라스크에 취하고 2~3방울의 페놀프탈레인 지시약을 넣는다.② 뷰렛을 이용하여 ①에서 제작한 용액을 NaOH 용액으로 적정한다. 플라스크를 가볍게 흔들어 용액을 섞을 때 용액 전체에 연한 분홍색이 남아있으면 당량점에 도달한 것이다. 이때 플라스크를 너무 세게 흔들면 공기 중의 이산화탄소가 녹아 들어가 오차가 생기므로 주의한다.③ 당량점에 도달했을 때의 넣어준 NaOH 부피를 측정하여 NaOH 용액의 농도를 계산한다. 만약, 구한 농도가 주어진 NaOH 용액의 범위를 벗어났다면 오차의 요인을 고려해 다시 적정한다.④ 위의 과정을 반복해서 NaOH 용액의 평균적인 농도를 계산한다.2) 이산화탄소의 헨리 상수 측정① 30mL 바이알에 증류수 5.0mL를 넣은 후, 적당한 크기의 드라이아이스 조각을 넣는다. 드라이아이스가 모두 없어질 때까지 기다린다. 드라이아이스가 다 사라지면 바이알을 손으로 감싸서 용액 온도가 실온에 가까워지도록 한다.② 바이알에 교반자석을 넣은 후, 교반기로 서서히 저어주면서 탄산수를 NaOH 용액으로 적정한다.③ 위의 ①, ②과정을 다시 하되 적정을 시작하기 전, 1~5분간 미리 교반한 이후에 적정하고 적정 결과가 어떻게 바뀌는지 살펴본다.④ 증류수 5.0mL를 NaOH 용액으로 적정하여 바탕값을 구한다.3. 과제3.1. 주어진 결과로부터 NaOH 용액의 농도와 CO2의 헨리 상수 계산하기KHP(aq)와 NaOH(aq)의 반응은 다음과 같다.KHP(aq) + NaOH(aq) → KNaP(aq) + H2O(l)KHP(aq)와 NaOH(aq)가 1:1로 반응하므로 5mL의 KHP 용액과 5.2mL의 NaOH 용액에 들어있는 용질의 몰수는 같다. 용액에서 용질의 몰수(n)는 몰농도(M)와 부피(V)의 곱으로 표현할 수 있으므로 다음의 식을 통해 NaOH 용액의 농도를 구할 수 있다.n = M1V1 = M2V2(B1)(아래 첨자 1: KHP 용액, 아래 첨자 2: NaOH 용액)M1=50mM, V1=5mL, V2=5.2mL임으로 식(B1)에 의해 M2=48mM이다.탄산의 Ka2=5.6×10-11로 Ka1=4.3×10-7보다 매우 작은 값을 가지므로 이차 해리가 거의 일어나지 않고, NaOH는 H2CO3와 모두 반응한 후에 HCO3-와 반응한다. 따라서 H2CO3와 NaOH는 1:1로 반응한다고 생각할 수 있고 식(B1)으로 탄산의 몰농도를 구할 수 있다. 여기서 아래 첨자 1은 NaOH 용액, 아래 첨자 2는 탄산 용액이다. M1=48mM, V1=3.75mL, V2=5mL임으로 M2=36mM이다.이산화탄소의 용해도는 헨리의 법칙에 따라 다음과 같이 표현할 수 있다.M`=`K _{H} ` TIMES `P (B2)(M: 몰농도, KH: 헨리 상수, P: 부분압력)본 실험에서는 1기압의 이산화탄소와 평형을 이루는 탄산수를 이용했기 때문에 P=1atm이다. 따라서 식(B2)에 의해 이산화탄소의 헨리 상수는 이산화탄소의 몰농도와 같다. 앞에서 구한 이산화탄소의 몰농도는 36mM이므로 이산화탄소의 헨리 상수는 0.036mol/L·atm이다.3.2. 페놀프탈레인 지시약의 변색 원리와 실험에서 지시약을 한두 방울만 넣는 이유페놀프탈레인 용액은 산-염기 지시약으로 용액의 액성이 산성에서 염기성으로 바뀌면 무색에서 분홍색으로 변색하게 된다. 이는 그림1과 같은 구조변화가 원인이다.Type 1Type 2페놀프탈레인은 용액의 액성이 산성일 때는 Type 1의 구조가, 염기성일 때는 Type 2의 구조로 존재한다. 산성 용액의 경우, 페놀프탈레인의 중심에 있는 탄소 원자는 다른 원자 4개와 결합해 있다. Type 1 페놀프탈레인을 염기성 용액에 넣으면 페놀프탈레인은 OH-로 인해 하나의 양성자를 잃고 그와 동시에 오각형 고리가 끊어진다. 이로 인해 중심의 탄소 원자는 3개의 원자와 결합하게 되고 하나의 단일 결합이 이중결합으로 바뀐다.[8] 따라서 파이 전자들이 각각의 3개의 벤젠 고리에 별도로 국한되었던 Type 1과는 달리 Type 2에서는 전자가 3개의 벤젠 고리 전체에 비편재화된다.[9] 이로 인해 상대적으로 전자가 강하게 구속된 Type 1은 전자를 들뜬상태로 만들기 위해 자외선과 같은 파장의 빛이 필요하고, 구속하는 힘이 작은 Type 2는 가시광선으로도 전자를 들뜨게 할 수 있다. 따라서 페놀프탈레인은 산성 용액에서 무색을, 염기성 용액에서 분홍색을 띠는 것이다. 한편, 실험에서 페놀프탈레인 용액을 2~3방울 넣는 이유는 페놀프탈레인 지시약 자체가 약산이기 때문이다. 과량으로 사용하면 적정 과정에서 오차가 발생할 수 있다.3.3. 탄산(H2CO3)을 NaOH로 적정할 때, 이론적으로 일차 중간점에서의 pH는 탄산의 pKa1 값과 같고 일차 당량점에서의 pH는 탄산의 1/2(pKa1 + pKa2) 임을 증명하기H2CO3(aq)를 NaOH 용액으로 적정하면 H2CO3(aq)는 아래의 두 단계 반응으로 중화된다.H2CO3(aq) + OH-(aq) → HCO3-(aq) + H2O(l)(C1)HCO3-(aq) + OH-(aq) → CO32-(aq) + H2O(l)(C2)이는 탄산이 이양성자산이기 때문이고 탄산을 NaOH로 적정했을 때의 pH 곡선에서는 두 개의 중간점 및 당량점을 볼 수 있다. 일차 당량점은 반응(C1)이 완결된 지점이며, 이차 당량점은 반응(C2)이 완결된 지점이다. 중간점 부근에서는 짝산과 짝염기가 공존하므로 용액이 완충용액으로 작용한다. 완충용액의 pH는 아래의 헨더슨-하셀바흐 식으로 계산할 수 있다.[10]

자연과학| 2021.04.02| 7페이지| 1,000원| 조회(2,430)

서울대학교 화학실험, 헨리상수, 이산화탄소의 헨리상수 측정 실험

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