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[화학실험] 일정성분비의 법칙

(1) Data & Results실험 A : 탄산염의 분석 (무게 변화)시간에 따른 탄산염의 무게의 변화는 다음과 같다.시간Sample ASample B00.2g0.2g50.15g0.097g100.118g0.086g150.111g0.085g200.108g0.085g300.106g0.084g400.101g0.083g500.099g0.083g600.097g0.083g700.098g800.097g900.096g1000.095g1100.093g1200.092g최종수치0.063g0.077g시간에 따른 질량변화를 측정할 때에는 한 사람이 스톱워치를 보고 시간을 알려주었을 때의 다른 한 사람이 기체의 질량을 읽는 방법을 통해서 측정하였다.위 실험의 화학 반응식은NaHCO3 + HCl → NaCl + H20 + CO2Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H20 + CO으므로 일정 성분비의 법칙에 의하면 NaHCO, NaCO이 각각 1mol씩 반응할 때 CO도 1mol이 생성된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 각각의 질량은 서로 다르다. 그러므로 NaHCO의 1몰의 질량이 84.08g, CO의 1몰의 질량이 44.01g 이므로 NaCO의 1몰의 질량이 105.99g일때 첫 번째 반응식이라면 반응후 이산화탄소는 공기 중으로 흩어질 것이므로 전체질량의 약 41.52%이 반응 후 감소할 것이고 두 번째 반응이라면 전체질량의 약 52.34% 가 감소할 것이다. 실험 결과, Sample A의 경우 68.5%가 감소하였고 Sample B의 경우 61.5%가 감소하였다. 다소 명확한 구분은 되지 않지만 상대적으로 평가했을 때 Sample A는 NaCO이고 Sample B는 NaHCO임을 알 수 있다.실험 B : 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피)실험 결과 조사한 자료는 다음과 같다.탄산염 시료의 무게0.1g반응이 시작되기 전의 유리관 눈금14ml반응이 끝난 후의 유리관 눈금34.2ml발생한 이산화탄소의 부피20.2ml실험실의 온도18℃실험실의 압력990hpa = 742.5mmHg물의 증기압이 보정된 압력발생한 이산화탄소의 몰수0.008mol탄산염의 분자량71.2탄산염의 분자식NaHCO여기서 압력같은 경우, 편의상 물에 증기압이 매우 작다고 보고, 실험실의 압력을 보정하여 사용하였다. 이산화탄소의 몰수를 구하는 방법은 잘 알려진 이상기체상태방정식(이산화탄소가 이상기체는 아니지만 계산의 편의상)을 통하여 구하였다. 즉, PV=nRT에서 P의 값(이상기체 상태방정식에서는 단위가 atm이므로 760mmHg가 1기압인 걸 고려하여)은가 되고, V의 값은 발생한 이산화탄소의 부피값인 20.2ml=0.0202L를 쓰고, R은 기체상수인 0.082 atm?L/mol?K가 되고, T는 실험실의 온도가 18℃이므로 절대온도인 291K를 식에 대입하여 발생한 이산화탄소의 몰수를 구할 수 있다. 미지의 탄산염의 분자량을 구할 때는, 역시 전과 같이 PV=nRT=RT를 이용하여 구한다. 주의할 점은 w의 값에는 탄산염의 무게인 0.1g을, V에는 발생한 이산화탄소의 부피를 넣지 말고 34.2ml=0.0342L를 대입하여 분자량 M값을 구한다. 이 분자량을 통해 분자량이 상대적으로 차이가 그다지 나지 않는 NaHCO가 미지의 탄산염이라는 것을 알 수 있다.(2) Discussion실험 A : 탄산염의 분석 (무게 변화)간단한 화학반응식과 일정성분비의 법칙을 이용하여 서로 다른 화합물들을 구별해내는 실험이었다. 표를 더 분석해보면 Data & Result에서 언급한 내용 외에 시간에 따라 반응속도는 점점 감소한다는 것도 확인할 수 있다. 이는 직관적으로도 시료의 양이 적어지기 때문이기이기도 하지만 앞서 설명한 화학반응식에서 볼 수 있듯이 반응의 결과로 물이 생긴다는 점을 통해 염산의 농도가 작아지리라는 것을 추측할 수 있고 그를 통해 시간이 지날 수록 반응속도도 점점 느려질 것이라고 생각할 수 있다. 그런데, 이번 실험 같은 경우에는 조사 결과의 오차가 상당히 컸다. 상대적으로 비교를 하지 않았더라면 실험을 다시 해야 할 수도 있을 정도의 수치였다. 실험할 때, 탄산염에 염산을 가하는 경우 염산이 들어있는 Weighing Boat에 탄산염을 넣었는데 그 방법으로 인해 미처 들어가지 못한 시료가 꽤 있었다는 사실을 확인할 수 있었다. 0.2g의 소량의 질량에서 실험을 한다는 점을 감안한다면 몇 가루 빠진 것도 실험에 큰 영향을 끼쳤을 것이다. 또한 탄산염이 염산에 완전히 녹지 않아서인지 거의 반응이 끝나는 것처럼 보여서 측정을 멈추려고 할 때, Weighing Boat를 무심코 흔들었더니 다시 질량이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 미세한 부분이긴 하지만 수산화나트륨의 경우에는 조해성을 가지고 있기 때문에 공기 중의 수분과 이산화탄소를 흡수하는 성질이 있어 무게 변화의 차이를 줄였을 수 있다.실험을 할 때 시료가 있는 Weighing Boat에다가 염산을 떨어뜨리고 살짝 흔들어주어서 모든 탄산염이 염산에 다 녹을 수 있도록 하였으면 좀 더 정확한 실험결과를 얻을 수 있을 것이다. 측정방법에 관해 보완할 점으로는 Data & Results 부분에서 설명했듯이 시간에 따른 질량변화를 측정할 때 한 사람이 동시에 측정을 한 것이 아니라 한 사람은 스톱워치만 보고 한 사람은 질량만 측정하기 때문에 타이밍의 문제가 있었는데 이런 점도 측정시 스톱워치를 보는 사람이 고려를 해야 할 것이다. 그리고 측정결과도 위의 제시했던 것처럼 딱 1번 측정으로 모든 결론을 내릴 것이 아니라 측정을 여러 번 해서 그에 따른 평균, 표준편차도 구해본 후 분석을 했더라면 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이라 생각한다.실험목적이 주로 일정성분비의 법칙을 확인하기 위한 것이었다면, 오차의 여지가 많이 날 수 있는 이런 실험이 아니라 간단한 수소와 산소가 만나 물이 될 때의 부피비를 측정하는 실험같은 것이 더 효율적이라는 생각이 든다. 전체적으로 이번 실험 같은 경우는 실험 사전에 좀 더 오차가 될 만한 사항을 미리 생각을 해보고 나서 실험에 임했더라면 더 그럴듯한 결과가 나왔을 거라는 아쉬움이 들었던 실험이었다.실험 B : 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피)탄산염이 염산과 반응하여 발생하는 이산화탄소의 양을 측정하는 것을 통해 탄산염의 종류를 알아보는 실험이었다. 탄산염의 분자량을 계산하는 경우 약 10g정도의 오차가 생겼는데 이 오차의 원인으로는 먼저 실험 혹은 계산의 편의상 압력수치를 정할 때 약한 물의 증기압은 무시하고 실험실의 압력을 보정한 것으로 압력을 정한 것을 들 수 있다. 방정식에 넣을 미지수이므로 이 값은 정확하면 정확할수록 이론의 결과와 비슷하게 나올 것이다. 다음으로는 역시 직접 사람이 하는 일이기 때문에 물의 수위를 맞추어 주는 과정에서 실수가 있을 수 있다. 만일 정확히 물의 수위를 맞추지 못했을 경우 압력수치는 달라진다. 게다가, ‘수소, 산소, 질소, 이산화탄소와 같이 물에 잘 녹지 않는 기체들은 일정한 온도에서 일정량의 용매에 녹는 질량은 압력에 비례하지만 부피는 압력에 관계없이 일정하다‘라는 헨리의 법칙에서 알 수 있듯, 압력이 변하게 되면 이산화탄소의 용해도에 영향을 미칠 수 있다. 그리고 실험 도중에 손으로 시험관 등을 만지고 있었을 경우 그 손의 열이 시험관에 전달되어 부피가 증가할 수도 있다. 이런 점들을 고려한다면 아까 언급한 것처럼 이 실험도 측정을 여러 번 해야 바람직할 것이다. 측정을 여러 번 해보고 그에 따른 평균이나 표준편차를 계산해서 분석에 임하였다면 오차를 좀 더 줄일 수 있을 것이라고 생각한다. 또, 이 실험에서는 주의사항에도 나와 있듯이 탄산염 시료를 재빨리 쏟아넣고 마개를 단단히 막으라는 지시가 있는데, 사실상 아무리 빠르게 한다고 해도 약간의 이산화탄소가 빠져나가는 것을 막기란 힘들다. 그런 점에서 볼 때 이번 실험에서는 조교님 말씀대로 탄산염을 미리 종이에 싸서 통째로 염산에 넣은 조치가 비교적 올바른 실험결과를 유도해냈다고 말할 수 있다.

자연과학| 2005.06.27| 4페이지| 1,000원| 조회(460)

화학실험, 이산화탄소, 일정성분비, 탄산염, 반데르발스

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[단학기화학실험] 수소이야기

(1) Abstract & Introduction누구나 살아가면서 한번쯤은 꼭 들어봤을 만한 원소 수소, 도대체 수소란 무엇이며 어떤 성질을 지니고 있는 것일까? 생명의 으뜸 원소, 에너지의 근원 원소, 물의 핵심성분원소인 그 수소의 성질 중 기존에 이론적으로만 배워왔던 몇가지를 이번 실험을 통해서 확인한다.이번 실험은 크게 3가지 부분으로 구성되어 있다. 첫 번째는 금속과 산과의 반응을 통해 수소기체의 발생을 알아보는 것이고, 두 번째는 잘 알려진 수소기체의 성질 중에 하나인 수소의 폭명성을 확인하는 것이고, 세 번째는 이론적으로만 배워왔던 수소의 선스펙트럼을 직접 방전관을 통해서 관찰하고, 그와 더불어 헬륨의 선스펙트럼도 관찰해봄으로써 서로 다른 원소의 선스펙트럼이 어떻게 나타나는지도 관찰하는 것이다.먼저, 실험에 앞서 유의해야 할 사항들을 언급하겠다. 첫 번째 부분에서 쓰게 될 염산은 옷이나 신체부분에 접촉시 상당히 위험하므로 시약을 다루는 과정에서 주의를 요한다. 또한 두 번째 부분에서 수소가 들어있는 풍선을 터뜨릴 때에는 너무 풍선 가까이 있지 않도록 한다. 세 번째 부분에서는 선스펙트럼 관찰시 (물론 그럴리야 없겠지만) 맨눈으로 너무 가까이서 방전관을 쳐다보지 않도록 한다.참고로 이번 실험은 그다지 복잡한 실험은 아니어서 몇 가지 사항을 빼고는 거의 이론대로 별다른 무리 없이 실험결과가 나왔다. 비록 간단한 실험이었지만, 실험 중간 중간에 한번씩 너무나도 당연하게 생각했던 것들도 다시금 의문을 품어보게 되는 경우가 많았고, 그런 의문을 해결하기 위해 자료를 찾아보게 되는 경우도 많아서 의미있는 실험이라 생각한다.실험에 들어가기 앞서, 간략하게 여기에 관련된 이론을 소개 할까 한다.첫 번째 실험 ‘금속과 산의 반응’과 관련해서는 수소의 유래를 소개하겠다. 1766년 영국의 Cavendish가 Zn, Fe, Sn 등 금속에 산을 가하면 잘 타는 기체(즉, 수소)가 발생하는 것을 관찰한 것이 수소의 처음 발견이다.Cavendish의 실험 : Zn + 2H알려져 있던 연소설(燃素說)을 믿었고 나중에는 물과 연소와의 화합물이라고 생각하게 되었다. 이것을 올바르게 원소라고 인식한 것은 프랑스의 A.L.라부아지에이며, 그는 1783년 작렬(灼熱)한 철관 속에 수증 기를 통과시켜 물을 분해하고 수소를 얻는 데 성공하였다. 또한 수소를 연소시키면 물이 생기는 사실도 밝혔고, 이로부터 그리스어의 물을 뜻하 는 히드로(hydro)와 생성한다는 뜻의 제나오(gennao)의 합성어에서 hydrogen이 유래되었다세 번째 실험 ‘수소의 선스펙트럼’과 관련된 이론으로는 선스펙트럼의 발견에 대해 소개하겠다.19세기 중반에 독일 Heidelberg 대학 화학 교수였던 Bunsen은 당시 알아주는 화학 분석의 대가였는데 마침 그때 Heidelberg에 도시가스가 들어오게 되었다. Bunsen은 잘 알려진 분젠 버너를 고안해서 여러 가지 실험을 하다가 금속염마다 특이한 불꽃의 색을 내는 것을 알게 되었는데 마침 같은 대학에 절친한 Kirchhoff라는 물리학 교수가 불꽃의 빛을 프리즘으로 분리해 보면 어떻겠냐고 제안을 해서 두 교수가 프리즘과 두 개의 낡은 망원경을 가지고 최초의 분광기를 만들게 되었다.원소들은 지문과도 같이 제각기 다른 선스펙트럼을 나타내기 때문에 선스펙트럼은 새로운 원소의 발견의 핵심적인 역할을 했고 원자 분광학으로 발전되어 지금도 원소 분석에 널리이용되고 있다.(2) Data and Results[실험A] 금속과 산의 반응아연납구리염산을 넣자마자 기포를 내면서 빠르게 반응한다. 맨눈으로도 하얀 연기가 보일 정도로 많은 양의 기체가 발생했음을 확인할 수 있었다.염산과 천천히 반응한다. 역시 앞의 아연의 경우와 같이 기포가 발생했으나 속도는 매우 느렸다.황금색으로 물이 변색되었을 뿐 기포가 올라오는 기미가 거의 보이지 않았다. 단, 시험관 입구부분이 뿌옇게 흐려진 것으로 보아 약간의 기체발생을 짐작할 순 있었다.[실험B] 수소의 폭명성관찰사실수소기체만 모은 풍선은 불꽃을 튀겨주면 순간적으로 화염이 ‘번쩍’ 보이면서 크게 선스펙트럼㉠ 수소의 선스펙트럼 (직접 그림판을 이용해 그림)보라색(410nm) 청록색(495nm) 빨간색(670nm)군청색(450nm)㉡ 헬륨의 선스펙트럼 (직접 그림판을 이용해 그림)보라색(460nm) 연녹색(510nm) 노란색(660nm) 다홍색(???nm)푸른색(490nm) 초록색(530nm) 빨간색(770nm)(3) Discussion[실험A] 금속과 산의 반응실험A의 결과는 금속의 이온화 경향으로 설명할 수 있다. 금속이 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향을 이온화 경향이라고 하며 이온화 경향이 큰 금속일수록 전자를 잃고 산화되기 쉬우며, 이온화 경향이 작은 금속일수록 전자를 얻어 환원되기 쉽다. 대표적인 금속의 이온 화 경향을 순서대로 나열하면 이렇다.K-Ca-Na-Mg-Al-Zn-Fe-Ni-Sn-Pb-(H)-Cu-Hg-Ag-Pt-Au ----ⓐZn(s) + 2HCl(l) ---> Zn(aq) + 2Cl(aq) + H(g)↑ ---- ⓑPb(s) + 2HCl(l) ---> Pb(aq) + 2Cl(aq) + H(g)↑ ---- ⓒⓐ에서 알 수 있듯이 아연의 경우 수소보다 이온화 경향이 크므로 아연이 전자를 잃고 수소는 전자를 얻어 ⓑ반응식이 성립하고 발생한 기체는 수소임을 알 수 있다. 납의 경우 역시 아연과 같은 원리대로 수소기체가 발생하지만 납과 수소의 이온화 경향의 차이가 적어 반응이 다소 느림을 알 수 있다. 구리의 경우는 구리가 수소보다 이온화 경향이 작으므로 반응이 일어나지 않는다. 그런데 실제로 실험해본 결과, 아연과 납은 예상대로 반응이 진행되었으나 구리는 비록 미약하긴 했지만 기포가 발생한 흔적도 약간 보였고, 물의 색도 황금색으로 변색되는 등 이론적으로는 설명되지 않는 부분이 있었다. Discussion결과 실험에서 사용했던 구리의 표면에 불순물이 붙어있었다든지, 아니면 사용했던 시험관을 제대로 씻지 않아서 그 사용했던 시험관에 남아있는 물질 때문에 생겼던 현상이라고 결론을 내렸다. 좀 더 순수한 구리를 사용하거나 시험관을 확실하게 소의 발생’ 이라는 목적에만 집착하고 대략적인 결과를 알고 있는 나머지 세 시험관에 들어가는 금속의 양을 정확하게 조절하지 못했다. 솔직하게 말해서, 실험할 때에는 수소기체가 발생한다는 사실을 명확하게 확인하고 싶어서 금속을 시험관에 가져올 때 무조건 많이 가져오는 게 옳다는 생각이 들었다. 그래서 실험할 당시에는 스푼으로 3-4스푼씩 퍼서 넣어서 실험을 했는데 Discussion을 하면서 생각을 해보니, 만약 세 금속이 서로 어떤 금속인지 모르는 상태였다면 좀 더 정확하게 실험을 하기 위해서는 통제변인을 맞추기 위해 금속을 넣는 양이라든지 심지어는 금속 한 조각마다 표면적도 다르니 그 표면적도 어느정도 비슷하게 맞춰주어서 실험을 했어야 했더라는 후회가 들었다. 그렇게 아무 생각 없이 실험을 했는데에도 불구하고 실험결과가 거의 제대로 나온 것을 고려한다면, 아연과 수소의 이온화경향이 많이 차이나는 것에 비해 납과 수소는 이온화경향이 큰 차이가 나지 않아서라고 생각할 수 있겠다. 또한 만약에 실험목적이 금속과 산의 반응여부에 더 큰 비중이 있었다면, 염산만 가하고 손놓고 있을 게 아니라 온도를 높이거나 표면적을 크게 하는 등 반응속도를 가능한 한 최대로 높여서 확실하게 반응을 하는 지 안 하는지를 구별해 내었어야 한다고 생각한다. 여하튼, 전체적으로 평가해 보면 쉬운 실험이라 어느 정도는 예상대로 결과가 나왔지만 이렇게 간단한 실험을 수행하는 과정에서도 세심한 주의가 필요하다는 교훈을 얻을 수 있었던 의미있는 실험이었다.[실험 B] 수소의 폭명성예상했던 결과와 다르지 않게 나왔다. 가연성 기체인 수소에다가 불꽃을 가까이 하니 펑 소리를 내며 풍선이 터졌다. 원리는 간단하게 반응식 하나로 설명할 수 있다.2H+ O----> 2HO + Energy(‘펑’ 소리 등)그런데 이 반응식을 보면 분명 HO.. 즉 물이 생성된다는 것을 알 수 있다. 여기서 의문점을 갖게 되었는데 분명 실험실에서 풍선 장치를 다 해놓고 조교님께 불꽃을 붙여달라고 해놓고 뒤에서 관찰했을 때에는이 들었다. 아니면 사실 이 실험도 솔직히 실험 전에는 이런 반응식을 다 써놓고 실험실로 들어왔는데 막상 실험을 하자 이런 사실은 까마득히 잊고 실험을 했기 때문에 조교님께서 풍선을 터뜨린 후에 풍선을 좀 더 세밀하게 살펴보지 못했다. 아쥬 명확하게는 아니겠지만 그래도 미리 이 반응식을 염두해 두고 풍선이 터진 후에 재빨리 풍선을 조금 더 면밀히 관찰했다면 물의 흔적을 찾아낼 수 있지 않았을까 하는 생각도 해 볼 수 있었다.이 실험에서 한 걸음 더 나아가, 이 반응으로 ‘수소에너지’를 만든다고 하는데 그 생산하는 에너지가 도대체 어느 정도의 양인지 한번 측정해보는 시도도 해봤으면 하는 생각이 들었다.[실험 C] 수소의 선스펙트럼수소의 선스펙트럼을 관찰해본 결과 410nm 부근에서 보라색, 450nm부근에서 군청색, 495nm 부근에서 청록색, 670nm부근에서 빨간색을 발견할 수 있었다. 그러나, 솔직히, 450nm부근에서 발견한 군청색은 사전에 수소의 선스펙트럼에 관한 지식이 없었다면 전혀 확인할 수 없었을 것이다.사전지식을 가지고 자세히 본 결과 희미하게나마 관찰을 할 수 있어서 실험결과에 포함시켰다. 또한 눈금을 읽어가는 것 역시 맨눈으로는 정확하게 읽기가 힘들었다. 스펙트럼광원장치와 같은 좀 더 정확한 실험기구가 있었더라면 보다 더 측정이 쉽지 않았을까 하는 생각이 든다. 그리고, 이 실험을 하던 중에 회전발 필름을 약간 위쪽으로 옮기면 순간적으로 연속스펙트럼이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 탐구 결과, 이 현상은 이번 실험의 주의사항인 ‘암실 상태에서 관찰’ 이라는 항목을 지키지 않아서 생긴 것이라고 말할 수 있다. 즉, 실험할 때 형광등을 모두 켜놓은 상태로 관찰을 했기 때문에 회전발 필름의 위치가 방전관에 정확히 맞지 않는다면 외부의 빛의 스펙트럼이 관찰되는 것이다. 조교님께서 조원들의 호기심 유발을 위해 일부러 외부의 빛 차단을 지시하지 않으신 건지는 모르겠지만 만약 실험을 할 때 완벽한 암실에서 했었더라면 더 명확한 결과가 나오지 않았을까라것이다.

자연과학| 2005.06.26| 6페이지| 1,000원| 조회(337)

실험, 화학, 수소, 폭명성, 선스펙트럼

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