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어는점내림 보고서

1. 실험제목: 어는점 내림 측정2. 실험목적: 순수한 물질의 어는점과 혼합물의 어는점을 관찰 및 측정하고 어는점 내림을 이용하여 물질의 분자량을 측정한다.3. 실험원리① 용해도(Solubility): 포화 용액 속에서의 용질의 농도로 “포화 농도”라고도 한다. 고체의 액체에 대한 용해도는 용매 100g에 대한 용질의 양, 또는 용액 100g 속의 용질의 양으로써 나타내어지고, 보통 물질의 용해도는 공존 고체의 양과는 관계가 없다. 용해도는 일반적으로 온도에 따라 변하고, 그 관계를 나타낸 곡선을 용해도 곡선이라고 한다. 또 기체의 액체에 대한 용해도는 용해도 계수 또는 흡수에 의하여 나타내어진다.이온성 물질들의 물에 대한 용해도는 매우 다양하다. 예를 들면, 염화소듐(NaCl)은 물에 잘 녹는 데 비하여 염화 은(Ag+와 Cl-)은 거의 녹지 않는다. 이온성 물질들의 물에 대한 용해도 차이는 이온들 간의 인력의 세기(고체 결합)와, 이온들의 물 분자에 대한 인력의 크기(고체 분해)에 의존한다.② 용해도에 미치는 요소들⒜ 구조효과: 일반적으로 용질과 용매가 비슷한 분자 구조 및 성질을 가지고 있을 때 용해도는 증가한다. 분자의 구조가 물질의 극성을 결정하므로 구조와 용해도 사이에 명확한 관계가 있다. 이 예로 비타민은 분자 구조 및 극성 그리고 이들과 용해도의 관계를 이해할 수 있다. 지용성(A, D, E, K)과 수용성(B, C)의 두 가지로 나뉜다. 비타민 A는 비슷한 전기 음성도를 가진 수소와 탄소로 이루어진 비극성이며 물과 같은 극성 용매에는 녹지 않는다. 이와 달리 비타민 C는 많은 극성 O-H 그리고 C-O 결합을 가지고 있기 때문에 극성 분자로서 수용성이다. 이리하여 비타민 A 같은 비극성 물질을 소수성(Hydrophobic) 그리고 비타민 C 같은 극성 물질을 친수성(Hydrophilic)이라 표시한다. 용해도 특성에 의해 지용성 비타민들은 인체의 지방 세포에 축적된다. 축적된 비타민 A, D, E, K 등이 외부에서 공급되지 않은 경우 당분간 사용되지만 많은 양이 사용될 경우 Hypervitaminosis라는 병을 유발한다. 반대로 수용성 비타민은 인체에 의하여 분비되지만 규칙적으로 외부에서 공급되어야 한다. 예를 들면 오랜 선상 생활을 하는 선원들에 나타나는 괴혈병을 예방하기 위하여 신선한 라임을 공급하여 준다.⒝ 압력효과: 고체와 액체의 용해도에 대한 압력의 효과는 미약하지만 기체의 경우 압력은 용해도에 중요한 영향을 미친다. Henry의 법칙에 의하여 기체의 압력과 녹은 기체의 농도 사이의 관계식을 다음과 같이 구할 수 있다.P(용액 위의 기체 용질의 부분 압력)= k(기체의 Henry 상수) x C(녹는 기체의 농도)*Henry의 법칙에 따르면 용액에 녹는 기체의 양은 용액 위의 가해지는 기체의 압력에 비례한다.⒞ 온도: 높은 온도에서 고체가 녹는 것이 증가하지만 녹는 고체의 양은 온도가 증가함에 따라 감소하거나 혹은 증가한다. 용해도에 대한 온도의 의존성을 예측하기는 매우 힘들며 실험을 통해서만이 고체의 용해도에 대한 온도의 의존성을 정확히 예측할 수 있다.③ 고체와 액체의 평형: 순수한 물질의 어는점은 그 물질의 특이한 물리적 성질이다. 어는점은 냉각 곡선으로부터 얻어지며, 냉각 곡선(cooling curve)이란 액체 상태의 물질을 일정한 속도로 식히면서 시간에 따른 온도의 변화를 그린 도표이다. 순수한 물질의 어는점에서 고체와 액체가 서로 평형 상태에 있기 때문에 남아있는 액체가 고체로 전부 변할 때까지는 온도 변화가 없다. 한 종류의 순수 물질이 아니고 2개의 순수 물질을 섞어 용액을 만들 경우 이 용액을 2성분 상(binary phase)이라고 한다. 이러한 혼합 용액을 냉각시키면 그 때 각 성분의 어는점은 본래 순수한 물질의 어는점보다 낮아진다. 이러한 현상을 빙점 강하(freezing point depression) 현상이라고 한다. 2성분계의 어는점은 그 구성물질의 혼합 비율에 따라 달라진다. 2성분계 용액의 어는점과 각 성분의 혼합 비율과의 관계를 나타낸 그림을 2성분계에 대한 상평형 그림(phase diagram)이라고 한다.③ 어는점 내림: 비휘발성인 용질이 녹아있는 용액의 어는점은 순수한 용매보다 낮아진다. 이것은 용액의 증기압이 용매의 증기압보다 낮아지기 때문이다. 용액의 농도가 진해지면 용액의 삼중점은 내려가고 이것은 고체와 액체의 평형 온도를 낮추어 어는점도 낮아지게 된다. 비휘발성 용질을 녹인 묽은 용액의 경우 용액의 어는점은 용액 속에 녹아 있는 용질 입자 수에 비례해 낮아진다. 어는점 내림에 관한 식은 다음과 같다.△Tf (어는점 내림)= kf (몰랄, 어는점 내림 상수) x m (몰랄농도)④ 나프탈렌과 바이페닐: 나프탈렌은 고체에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변화하는 승화성 물질이며 벤젠고리 두 개가 이어져 있는 방향족 탄화수소 화합물이다. 분자식은 C10H8이고 비늘 모양의 무색 결정으로 분자량은 128, 녹는점은 217.97ºC이며, 비중은 0.975(25ºC)이다. 바이페닐은 방향족 탄화수소의 하나로 화학식 C12H10이고 비늘 모양의 무색결정으로 분자량은 154.21, 녹는점은 70.5ºC, 비중은 1.150(25ºC)이다.4. 실험과정① 실험 시약 및 기구: 나프탈렌, 바이페닐/온도계, 스탠드, 클램프, 비커, 두꺼운 종이(알루미늄 호일 사용함), 시험관, 스탑워치, Hot Plate, 고무마개② 실험방법⒜ 시험관 2개의 하나에 나프탈렌 5g, 다른 하나에는 나프탈렌 2.5g+바이페닐 2.5g을 넣는다.⒝ Hot Plate 설치한 뒤 비커에 물을 담아 올려두고 가열을 시작한다.⒞ 물이 끓기 시작하면 스탠드의 클램프에 시험관을 고정 시킨 뒤 끓는 물속에 넣고 모두 녹인다 (시험관에 온도계와 고무마개를 끼운다).⒟ 모두 녹으면 시험관을 빈 비커 속에 클램프를 이용하여 넣는데 여기서 공기의 대류를 방지하기 위해 두꺼운 종이를 활용해 시험관이 들어갈 구멍 정도만 뚫고 비커를 덮는다 (알루미늄 호일 대체 사용함)⒠ 온도계로 잘 저어 주면서 시작온도부터 시작해서 30초마다 온도를 읽어서 어는점을 측정할 수 있을 정도까지 온도 측정을 한다.5. 실험결과*냉각 곡선 데이터순수한 나프탈렌혼합물: 나프탈렌(2.5g)+바이페닐(2.5g)시간(초)온도(ºC)시간(초)온도(ºC)03*************02*************03*************05*************7878.578.5787878787877.5777*************4**************************0**************************0540*************0484646464*************404040404040순수한 나프탈렌의 어는점: 78 ºC나프탈렌+바이페닐의 어는점: 46 ºC어는점 내림차이: 32 ºC⒜ 용액의 총괄성(colligative property)을 예를 들어 설명하시오.용질의 종류와는 무관하고 오로지 용질 입자 수에 의해서만 결정되는 성질을 의미한다. 용질이 용해됨에 따라 변한 용매의 증기압은 △P= P(용액) – P(용매) = P(용매) – P(용매) = -P(용매)이다. 이것은 용질의 몰분율에 비례하고, 항상 줄어든다.⒝ 어는점 내림에 의해 용매에 소량 녹인 용질의 분자량을 결정하는 방법을 설명하시오어는점 내림(△Tf)은△Tf = kf m (kf =어는점 내림 상수(몰랄), m=몰랄농도)용매 Wg에 용질 wg (몰. M=용질의 분자량)이 녹아있다면 용매 1000g에는 용질이 x 몰만큼 녹아있으므로 몰랄농도는 x 이다. 따라서, △Tf = kf x m= kf x x .△Tf = Tnaph – Tmix, [kf= 6.8g.m]일 때용질의 분자량은 M= = =2136. 고찰 (Discussion)시간에 따른 온도의 변화를 측정한 결과 순수한 나프탈렌용액의 경우 어는점이 비교적 확연하게 나타났다. 이론상의 어는점은80.5 ºC로 측정값인 78 ºC은 3.20% 정도의 오차가 났다. 오차는 여러 요인이 작용했겠지만 물질의 상이 변화하는 도중에는 온도의 변화가 없으나 그래프를 보면 온도가 지속적으로 떨어지고 있다. 이는 나프탈렌이 고체가 된 후 온도가 다시 감소하기 시작하면서 온도계 주위의 열을 빼앗아 간 것으로 생각된다. 그러므로 나프탈렌이 균일하게 냉각되지 않았을 가능성이 있다. 나프탈렌+바이페닐용액의 경우 순수한 나프탈렌처럼 눈에 띄는 어는점을 구분해 내기 어려웠다. 위의 그래프와 같이 온도 감소의 폭이 좁아 그래프가 완만해지기 시작한 지점에서부터 어는점이라고 정의할 수 있는 가능성이 가장 높은 부분을 어는점으로 추정하였다. 실험을 통해 얻어낸 용질(바이페닐)의 분자량은 213으로 실제 분자량인 154와 38.3% 정도 큰 오차율을 보였다. 몰랄농도에 영향을 주는 요인들의 실험이 잘못되어 분자량을 구하는데 오차가 발생했을 가능성이 높다고 볼 수 있다.7. 참고문헌1. 일반화학실험법 편찬위원회, ˹일반화학실험법˼, 단국대학교출판부, 1993.2. 줌달 외, ˹줌달의 일반화학˼, 제8판, 사이플러스, 2010.3. Freezing Point Depression, ˹ kf for Stearic Acid and Molar Mass of an Unknown˼. (2010. 4.3).4. 바이페닐[Biphenyl], ˹네이버 백과사전˼. (2010. 4.3).

공학/기술| 2012.04.11| 5페이지| 1,000원| 조회(339)

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