실험 6-1. 이산화탄소의 승화열1. 목적드라이아이스(고체 이산화탄소)의 승화열을 측정한다.2. 원리(1) 상 변화의 이해물질은 흔히 기체, 액체, 또는 고체로 존재한다. 물질을 구성하는 분자들 사이에 는 인력이 작용하고 있으며, 인력의 크기는 물질에 따라 매우 다양하다. 또한 분자 들은 온도에 따라서 결정되는 열에너지를 가지고 있다. 즉, 높은 온도에 있는 분자 들은 큰 운동에너지를 가지고 있고, 운동에너지를 잃어버리게 되면 물질의 온도가 낮아진다.따라서 높은 온도에 있는 물질은 분자의 운동에너지가 분자들 사이에 작용하는 인력보다 대단히 크기 때문에 분자들이 마음대로 돌아다니는 기체로 존재하게 되 고, 온도가 낮아지면 분자의 운동에너지가 분자들 사이에 인력을 이기지 못하기 때문에 분자들이 인접하여 존재하는 액체 또는 고체가 된다.(2) 이산화탄소의 승화열이산화탄소는 상온, 상압에서 기체로 존재하는 무색, 무미의 물질로 독특한 특성 을 가지고 있다. 이산화탄소는 압력이 5.11기압 이상이 되어야만 액체로 존재할 수 있고, 압력이 낮을 때는 기체, 또는 고체로만 존재할 수 있다. 흔히 드라이아이 스 라고 부르는 고체 이산화탄소는 -78.5oC가 되어야만 증기압이 1기압이 되기 때 문에 상온에서 드라이아이스는 고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 승화 현상이 관찰된다. 드라이아이스는 승화할 때 주위로부터 상당한 열을 흡수하 기 때문에 온도를 낮추기 위한 냉매로 많이 사용된다.(일반화학 교과서 그림 5.21 참조)(3) 열량계와 물의 비열을 이용한 이산화탄소의 승화열 측정화학변화가 일어날 때 흡수되거나 방출되는 열을 측정하는 장치를 열량계 라고 한다. 열의 양을 정밀하게 측정하는 데 사용되는 열량계는 상당히 복잡하지만, 이 실험에서는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 스타이로폼으로 만든 용기를 사용한 다. 용기에 담긴 물 속에서 일어나는 화학 변화에서 열이 방출되거나 흡수되면 물 의 온도가 변화하고, 물의 온도변화와 물의 양으로부터 방출되거나 흡수된 열의 양잠길 수 있어야 한다.)c. 온도계를 끼워 넣는다.2) 완성한 열량계의 질량을 측정한다. 그림 A. 열량계3) 실험에 이용할 물의 온도를 측정한다. (사용할 물은 미리 받아 놓아서 물의 온 도를 상온과 같게 해주어야 한다.)4) 열량계 속에 200 mL 정도의 물을 넣고 다시 질량을 측정한다.5) 잘게 부순 드라이아이스 8-10 g 의 질량을 정확하게 측정해서 재빨리 깔때기 에 부어 넣는다. 드라이아이스가 모두 물 속에 잠겨있는 고무풍선 속으로 들어 가야 한다. (드라이아이스는 되도록 잘게 부순다. 드라이아이스 덩어리가 깔때 기의 입구를 막을 수도 있다.)6) 온도가 더 이상 내려가지 않을 때까지 열량계를 건드리지 말고 기다린다. 온도 가 최저로 내려간 다음에 열량계를 조용히 흔들어 주고 열량계에 있는 온도 계로 물의 온도를 측정한다.7) 열량계의 물을 비우고 말린 다음 2)번부터의 과정을 2-3차례 반복한다.4. 실험 기구 및 시약스타이로폼 용기(1), 깔때기(1), 고무풍선(1), 고무줄, 온도계(1), 장갑, 망치, 비이 커(물을 미리 받아 놓을 용기)5. 드라이아이스 취급 시 유의사항(1) 피부에 직접 접촉할 경우 화상의 위험이 있으므로 반드시 장갑을 끼고 사용 하여야 한다.(2) 드라이아이스는 승화 시 기체를 발생하므로 밀폐된 용기에 보관할 때는 배출 구를 낸다.(3) 밀폐된 좁은 공간에서 취급할 겨우 호흡 장애 또는 질식의 우려가 있으므로 환기를 요한다.6. 실험 결과의 처리 방법(1) 측정해야 할 양이용된 물의 질량, w(g);사용된 드라이아이스의 질량, y(g);물의 온도변화, ΔT( oC);(2) 승화열의 계산드라이아이스가 흡수한 열의 양 = 물이 방출한 열의 양물이 방출한 열의 양 Q(J) = 4.18(J/g。C)×w(g)×ΔT(。C)드라이아이스가 흡수한 열의 양 =ΔH승화×y(g)ΔH승화 = Q(J)/y(g)ΔH승화의 단위를 kJ/mol로 환산하여 참값과 비교드라이아이스에 대한 몇 가지 이야기(1)드라이아이스를 만드는 법이산화탄소를 압축하여 점점 소모되어 버리므로, 연속적인 냉동작용이 필요한 경우에는 미리 적당량을 준비하여 두거나 부하에 따라 소정량을 계속하여 보충시켜 주어 야 한다. 그러나 얼음의 경우와는 달리 열을 흡수하고 생기는 부산물은 증기가 되어 버리므로(승화), 액체의 상태를 거치지 않는다. 이렇게 승화된 기체는 공기 와 대치되므로 식품의 경우는 산화를 지연시켜 그 신선도를 유지해 준다.드라이아이스를 직접 물품의 냉각에 이용하는 것이 아니고, 드라이아이스에 의해 냉각(응축)된 냉매액이 보통의 냉동장치에서와 같이 증발기에서 증발하도록 되어 있는 장치(이후 설명)로 압축기의 역할을 대신하고 있는 셈이다. 이러한 장치는 항공기와 같은 특수한 곳에 사용될 수 있다.(3) 드라이아이스를 이용한 인공강우강수이론을 이용하여 인공적으로 비를 내리도록 하는 것을 말한다. 1946년 셰 이퍼(Schaefer)는 과냉각된 안개로 가득차 있는 냉장고 속에 드라이아이스의 파 편을 떨어뜨려 수많은 빙정이 형성되는 것을 발견하였다.같은 해에 보네거트(Vonnegut)가 옥화은을 태웠을 때 생기는 미세한 결정이 -50℃ 이하에서 빙정핵으로서 유효하게 작용하는 것을 계기로 비행기에서 드라 이아이스 파편과 옥화은의 연기를 구름에 실어 구름을 빙정운으로 변화 시키고 심어진 구름이 급속히 변형하는 것을 관측하여 인공강우의 가능성을 실증하였다.인공강우에 대한 연구는 계속되어 1960년대 미국에서는 실험단계를 벗어나 실 용화단계로 들어서게 되었다. 인공강우는 드라이아이스, 옥화은 등을 구름씨로 뿌리거나, 구름 정상부에 물을 뿌려 만들기도 한다.드라이아이스의 승화점은 -78.5℃이므로 작은 조각들을 구름 속에 뿌려 만들 어진다. 1 g 드라이아이스는 약 106개의 빙정을 만들어내므로, 빙정설에 따라 -15℃에서 20℃이하가 되지 않으면 자연상태의 빙정이 만들어지기 어렵기 때문 에 드라이아이스를 뿌려주면 그 주변의 물방울들이 눈이 되어 내리게 되고, 그 주변의 물방울들이 눈이 되어 내리게 되고, 그 눈은 지표로 내려 오면서 기yahoo.co.kr실험결과 : 6. 이산화탄소의 승화열학부: 학번: 조: 이름:{1회2회3회물을 넣지 않은 열량계의 질량ggg물을 넣은 열량계의 질량ggg물의 질량ggg드라이아이스를 넣기 전의 온도。C。C。C드라이 아이스의 질량ggg드라이 아이스를 넣은 후의 온도。C。C。C승화할 때 흡수한 열량JJJ드라이 아이스의 승화열J/gJ/gJ/g평균J/g표이산화탄소는 무색, 무취의 기체이다. 그런데 드라이아이스가 승화할때는 흰색기 체가 보인다. 이 기체는 무엇일까?실험 6-2. 엔탈피 측정1. 목적산과 염기의 중화반응을 이용해서 엔탈피가 상태함수임을 확인한다.2. 원리대부분의 경우에 화학 반응이 진행되면 주위에서 열을 흡수하거나 주위로 열을 방출하게 된다. 화학 반응에서 출입하는 열의 양은 열량계 라는 장치를 사용해서 측정할 수 있다. 정밀한 측정을 위한 열량계는 그 구조가 상당히 복잡하지만, 단열 이 잘 되는 보온병이나 스타이로폼으로 만든 컵이나 단열된 플라스크등을 간단한 열량계로 사용할 수도 있다.열량계를 이용하기 위해서는 열량계의 비열용량 C와 열량계의 질량을 먼저 알아 야 한다.비열용량 : 1 g 물질의 온도를 1oC 변화시키는데 필요한 열의 양.따라서 비열용량이 C(J/og)인 물질 W g의 온도가 ΔT(oC)만큼 변화했을 때 출 입한 열의 양 Q(J)는 다음과 같이 계산할 수 있다.Q = CWΔT우주의 에너지는 일정하다 는 열역학 제 1법칙은 에너지 U와 엔탈피 H라는 열역학적 양을 정의한다. 계가 부피 팽창에 의한 일(PV 일)만을 할 수 있는 경우 에 계의 상태 변화에 의하여 출입하는 열의 양은 상태변화의 조건에 따라 다음과 같게 된다.ΔU = Qv(Qv는 일정한 부피에서의 상태 변화에서 출입하는 열의 양)ΔH = Qp(Qp는 일정안 압령에서의 상태 변화에서 출입하는 열의 양)상태 변화에 따라 출입하는 열의 양을 측정해서 알아낸 에너지와 엔탈피의 변화 는 화학 반응의 평형조건이나 자발적인 변화의 방향을 알아내는 중요한 정보를 제 공하게 된다.엔탈피는 상 함께 태우면 역시 열이 발생하면서 이산화탄소가 생 성된다.CO + 1/2 O2 → CO2 ΔH2 = -283.0 kJ/mol그러나 산소의 양이 부족할 때의 불완전 연소에서 만들어지는 일산화탄소 생성 반응의 반응열을 실험적으로 직접 측정하기는 어렵다. 이산화탄소가 생성되는 것 을 완전하게 막기가 쉽지 않기 때문이다. 이런 경우에 헤스의 법칙을 이용하면 일 산화탄소의 생성열을 쉽게 알아낼 수 있다.C + 1/2 O2 → CO ΔH3 = ΔH1 - ΔH2 = -110.5 kJ/mol이 실험에서는 강염기인 수산화나트륨과 강산인 염산의 중화 반응을 다음과 같 이 두 가지 방법으로 진행시키면서 반응열을 측정하여 헤스의 법칙이 성립하는 것 을 확인한다.고체 수산화나트륨을 염산에 넣으면 중화 반응이 일어나고, 이 때의 반응열을 Δ H4라고 부르기로 한다.(반응 1) NaOH(s) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) ΔH4수산화나트륨과 염산의 중화 반응은 다음과 같이 두 단계로 일어나게 만들 수 있다. 즉, 고체 수산화나트륨을 먼저 물에 녹여서 NaOH 수용액을 만들고 (반응 2), 그 수용액을 염산으로 중화시킨다(반응 3).(반응 2) NaOH(s) + H2O(l) → NaOH(aq) ΔH5(반응 3) NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O ΔH6반응 2와 반응 3에서의 반응열을 각각 ΔH5와 ΔH6으로 부르기로 하면, 헤스의 법칙에 따라서ΔH4 = ΔH5 + ΔH6의 관계가 성립한다.3. 실험방법실험 A. ΔH4의 측정1) 250 mL 삼각플라스크를 깨끗하게 씻어서 말린 후에 무게를 0.1 g 까지 측정 하고, 스타이로폼으로 잘 싸서 단열이 되도록 한다.2) 0.25 M 염산 용액 200 mL를 넣고 온도를 0.1℃까지 정확하게 측정한다.3) 약 2 g 의 고체 수산화나트륨을 0.01 g까지 재빨리 달아서 플라스크에 넣고 흔들어 준다.4) 용액의 온도가 가장 높이 올라갈 때의 온도를 기록하고, 플라스크의 무게를 잰 다.실험 B. 시약
