EXP1. Determination of Avogadro`s Number실험보고서학과 화학·응용화학과제출일 12. 04. 16조원■ 요약(Abstract)▷실험목적물 위에 생기는 기름막을 이용하여 몰을 정의하는데 필요한 아보가드로 수를 결정해보고 이론치와의 차이를 살펴보자▷실험원리스테아르산을 물 위에 떨어뜨리면 극성을 가진 카르복실기는 물과 달라붙고, 무극성의 탄화수소 사슬은 물과 잘 접촉하지 않으려는 경향이 있다. 이러한 성질을 이용하여 물 위에 스테아르산을 떨어뜨리면 카르복실기가 물 쪽으로 향하고 무극성의 탄화수소 사슬이 물 층 위로 서 있는 단층막이 형성된다. 이 단분자층의 부피를 표면의 넓이로 나눠주면 스테아르산 분자의 길이를 얻을 수 있고, 이 길이로부터 탄소 원자 하나의 지름을 얻을 수 있다. 그 값을 이용해 탄소 원자 하나가 차지하는 부피를 얻고, 그 부피를 이용해서 아보가드로의 수를 구할 수 있다.▷절차상의 문제점1. 물표면에 깔리는 스테아르산이 단분자층이라고 생각한 것(수직으로 서지않고 비스듬하게 서 있을수도 있음)2. 탄소원자의 부피를 정육면체의 부피로 가정한 것▷아보가드로 수를 구하기 위한 도식도■ 서론(Introduction)▷아보가드로수물질의 특정한 개수를 표현하는 단위의 한 종류이다. 또는 물질의 양을 나타내는 단위의 하나. 몰농도의 단위라는 뜻으로도 사용될 때도 있다. 원자량의 기준에 따라 탄소의 질량수 12인 동위원소 C의 12g(즉, 0.012kg) 중에 함유되는 원자의 수(아보가드로수)와 같은 수의 물질입자(원자·분자·자유라디칼·이온·전자)를 함유하는 물질의 집단(또는 그 집단의 질량이나 전하)을 1몰이라 정의한다. 1몰의 분자량을 알고 있으면 그 분자의 몰수를 구할 수 있다. 예를 들어, 1쌍은 2개, 한 다스는 12개, 1그로스는 12다스로 144개를 의미하듯이 일정한 개수를 나타낸다. 또한 수소원자 1몰에 포함된 수소원자의 개수는 6.02×1023 이며 질량은 근사적으로 1.008g이다. 수소분자의 경우에도 개수는 같고 질량은 2.016g이다. 물질의 양으로서 몰은 1971년 제14차 국제도량형총회에서 국제계량단위계(SI)의 기본단위로 채택되고, 한국에서는 1982년 4월 7일 계량법시행령에서 처음으로 미터·킬로그램·초·켈빈·칸델라 및 암페어와 더불어 7가지의 기본단위인 법정(法定)계량단위로 설정되었다.▷스테아르산의 구조실험에 사용하게 될 탄소 화합물은 물과 섞이지 않으면서 단층으로 막을 형성하는 스테아 르산[stearic acid,]이다. 스테아르산은 비누와 같은 화합물로 지방산 의 일종이다. 구조는 긴 사슬모양 으로 한쪽끝은 극성을 가진 카르복실기로, 다른 한쪽은 비극성인 탄화수소 사슬로 이루어져 있다. 그리고 물의 구조상 물은 전자를 잘 잡아당기는 산소 한 개에 두 개의 수소가 104.5?????도의 각도를 이루며 결합되어 있어 전기 쌍극자의 성질 을 갖고 있는 극성분자이다. 따라서 스테아르산의 카르복실기와 물 사이의 인력이 작용하게 되고, 반면에 무극성인 탄화수소 부분은 물과 접촉하지 않으려 한다. 결국 카르복실기가 물 로 향하고 탄화수소 사슬이 물층위로 서있는 단분자층을 형성하게 된다. 분자층을 형성하면 스테아르산 분자가 수직으로 위치하게 된다.스테아르산의 분자구조스테아르산 분자층물 분자는 극성이 크므로 무극성 분자인 탄소 화합물과는 기름과 물처럼 잘 섞이지 않을 뿐만 아니라 단층막을 만들기 보다는 그들 분자들끼리 뭉치려한다. 그러나 스테아르산 분자는 무극성의 긴 탄화수소사슬[]의 끝에 극성을 띄는 카르복실기(-)가 붙어있어 단층막을 만들 수 있다. 즉, 물 위에 스테아르산을 떨어뜨리면 극성의 카르복실기는 물 쪽으로 향하고 무극성의 탄화수소 사슬은 공기 쪽으로 향하게 되어 한 층의 막이 형성된다. 이런 막을 단층막(monolayer)이라고 부른다. 본 실험에서는 분자량이 284.47인 스테아르산 분자의 길이를 측정하게 된다. 이 물질은 비누와 비슷한 화합물이다.▷탄소 원자 1몰이 차지하는 부피()탄소 원자 1몰이 차지하는 부피를 구하는 것은 비교적 간단하다. 다이아몬드는 탄소 원자가 촘촘히 쌓여서 만들어진 것이므로, 다이아몬드의 밀도(3.51g/)로 탄소 1몰의 질량(12.011g)을 나누면 탄소 원자 1몰이 차지하는 부피()를 쉽게 계산할 수 있다.-몰 질량(molar mass)몰 질량이란 어떤 물질이 1몰 만큼 있을 때의 질량을 말한다. 예를 들어, 12C는 몰의 정의에 의해 정확하게 12.00g의 몰 질량을 갖게 된다. 모든 물질의 그램으로의 몰 질량은 원자질량단위로의 분자량(혹은 화학식량)과 똑같은 값을 갖는다.▷ 탄소 원자 하나의 부피()탄소 원자 하나의 부피를 정확하게 알아내는 것은 그렇게 쉽지 않지만 방법은 있다. 일단 탄소가 포함되어 있는 탄화수소 화합물을 일정 면적의 물 표면에 한 층으로 막을 만들고, 이때의 부피를 측정한 다음 물 표면적으로 나누어 주면 탄화수소 화합물의 부피를 알 수 있다. 다시 화합물 내에서 탄소 원자의 지름을 계산하여 나눠 주면 원자 하나가 차지하는 부피()를 얻을 수 있다.▷실험기구 및 시약메스실린더, 피펫, 스포이드, 시계접시, 헥산, 스테아르산 , 증류수▷실험과정1. 스테아르산 용액을 만든다 (스테아르산 0.02g을 헥산 100ml에 녹였다.)2. 스테아르산 용액의 한방울의 부피를 여러차례 시도하여 평균치를 구한다.(메스실린더를 사용하여 해당부피에 몇방울이 떨어졌는지를 알면 한방울의 부피를 가늠할 수가 있다.)3. 시계접시의 직경을 구해놓는다.4. 시계접시에 면이 물에 잠기도록 증류수를 답는다.5. 스포이드로 스테아르산 용액을 물이 담긴 시계접시에 한 방울 떨어뜨리고 그 방울이 없어질때까지 간격을 두고 떨어뜨린다. (가장자리에 떨어뜨리도록 한다.)6. 단층막이 거의 생성될 즈음 스테아르산이 퍼지는 속도는 점점 느려진다. 단층막이 다 생긴 후 가한 방울은 퍼지지 않고 물 표면에 그대로 머물게 되는데 이것이 30~40초 이상 견디면 1방울 더 넣어보고 더 이상의 첨가를 끝낸다.▷주의사항1. 1ml가 몇 방울인지 셀 때 측정 할 때마다 똑같은 각도로 스포이드를 가지고 방울을 떨어뜨 려야한다. 하지만 번거로우니 피펫을 사용해서 하도록 한다.2. 스테아르산 용액을 물의 표면에 떨어뜨릴 때 한방울을 떨어뜨리고 나서 방울이 완전히 없어 진 다음에 떨어뜨리는 방식으로 해야된다.■ 실험결과(result)(1) 피펫보정1차2차3차평균횟수523532519-들어간양(ml)101010-1ml당 횟수52535152한방울당부피(1ml/평균)0.0192ml(2) 스테아르산의 한 방울의 질량-{(스테아르산의 g수/사용한 헥산의 부피)*한방울의 부피}(0.02g steric acid/100ml hexane)*0.0192ml hexane=3.84x10-6 steric acid(3-1) 스테아르산 한 방울의 부피-질량/밀도(문헌치 0.941g/cm3)3.84x10-6 steric acid/0.941g/cm3=4.08x10-6cm3(3-2) 물표면을 덮은 스테아르산의 단면적의 넓이단층막의 직경 D=2.5cm단층막의 단면적의 넓이 (D/2)2π=4.90cm2(4-1) 단층막의 높이
