본문내용
1. 화학실험의 부피 측정
1.1. 실험 목적
화학 실험의 근간이 되는 정량적인 관찰과 측정을 익히는 것이 이 실험의 목적이다. 화학 실험에서 가장 기본이 되는 물리량인 부피와 질량을 직접적인 방법과 간접적인 방법을 통해 측정하고, 측정 결과를 토대로 밀도의 평균값을 도출함으로써 실험의 정밀도와 정확도를 평가하고자 한다.
정량적 측정은 측정 가능한 데이터를 포함하며, 주로 그 값은 숫자 형태로 표현된다. 정량적 측정 시 변수가 존재하여 오차를 가질 수 있으므로, 이 오차를 최소화하여 신뢰할 수 있는 데이터로 만드는 것이 중요하다. 정밀도는 실험 결과 값 사이의 편차가 적고 균일하게 모여 있는 정도를 나타내며, 동일한 실험 조건에서 측정하는 것이 중요하다. 정확도는 측정값들이 측정 대상의 실제 값과 근접할수록 높다고 볼 수 있다. 오차에는 우연 오차와 계통 오차가 있는데, 우연 오차는 원인을 알 수 없는 오차이며 계통 오차는 실험기구의 부정확성이나 실험자의 실수로 인해 발생한 오차이다.
IPA(아이소프로필 알코올)는 무색 액체로 물과 잘 섞이며 휘발성이 강해 소독약제, 세정액, 용매 등으로 사용된다. 증류수는 불순물이 제거된 순수한 물로, 모든 화학 실험에서 기본적으로 사용되는 시약이다.
1.2. 실험 원리
1.2.1. 정량적 측정
정량적 측정은 측정 가능한 데이터를 포함하며 주로 숫자 형태로 표현된다. 측정 시 변수가 존재하여 오차를 가질 수 있으나, 이 오차를 최소화하여 신뢰할 수 있는 데이터로 만드는 것이 중요하다.
정량적 측정에서는 정밀도와 정확도 개념이 중요하다. 정밀도는 실험 결과 값 사이의 편차가 적고 균일할수록 높다고 볼 수 있으며, 정확도는 측정값들이 실제값과 근접할수록 높다고 볼 수 있다.
오차는 정량적 측정에서 측정한 값과 실제값의 차이를 의미한다. 우연 오차는 정밀도 부족으로 발생하며, 계통 오차는 정확도 부족으로 발생한다. 계통 오차에는 기계 오차와 개인 오차가 포함된다.
IPA(아이소프로필 알코올)는 무색 액체로 물과 잘 혼합되며 인화성과 기화성이 높다. 주로 소독약제, 세정액, 용매로 사용된다. 증류수는 중류 과정에서 모든 불순물이 제거된 순수한 물로, 화학식은 H2O이다.
실험 방법에는 직접 측정 방식과 간접 측정 방식이 있다. 직접 측정 방식은 비중병을 이용하여 IPA의 질량과 부피를 직접 측정한 후 밀도를 계산하는 방식이다. 간접 측정 방식은 비중병에 증류수를 채우고 질량을 재어 증류수의 밀도를 구한 뒤, IPA의 질량을 재어 IPA의 밀도를 계산하는 방식이다.
두 방식 모두 3번의 반복 실험을 통해 IPA의 밀도 평균값을 도출한다. 이를 통해 정밀도와 정확도를 평가하고 오차 발생 원인을 파악할 수 있다.
1.2.2. 정밀도와 정확도
정밀도는 실험 시, 여러 번 측정해 실험 결과 값이 서로 얼마나 근사한지를 나타내는 기준이다. 실험 결과 값 사이의 편차가 적고 균일하게 모여 있을수록 정밀도가 높다고 볼 수 있다. 관측장비와 관측방법에 따라 오차가 크게 바뀌기 때문에 동일한 실험 조건에서 측정하는 것이 중요하다.
정확도는 동일한 실험을 반복했을 때, 측정 결과가 참값에 서로 가까운 정도를 나타내는 기준이다. 측정값들이 측정 대상의 실제 값과 근접할수록 정확도가 높다고 볼 수 있다. 실험 시에 측정값은 실제값에 가까울 뿐 실제값은 아니기 때문에, 동일한 조건에서 측정을 반복해 실험기구를 교체하거나 측정 방법을 달리 하는 방식으로 오차를 최소화하여 최확치를 구해야 한다.
1.2.3. 오차의 종류
실험에서는 여러 가지 요인으로 인해 측정값과 실제값 사이에 차이가 발생하게 된다. 이러한 차이를 오차라고 하며, 오차에는 우연 오차와 계통 오차로 구분할 수 있다.
우연 오차는 실험 조건이나 측정 방법상의 변동으로 인해 발생하는 오차이다. 이는 원인을 알 수 없는 오차로서, 측정값들의 변동으로 인해 발생하므로 오차를 보정하기 어렵다. 다만 값들의 표준편차를 구하고 신뢰한계를 %로 설정하여 참평균의 범위를 도출할 수 있다.
계통 오차는 실험기구의 부정확성이나 실험자의 실수 등 특정한 원인에 의해 발생하는 오차이다. 기계 오차는 실험에 사용된 실험기구의 부정확성으로 인해 발생하는 오차이며, 개인 오차는 실험자의 실수나 적절하지 않은 실험 방식으로 인해 발생하는 오차이다. 계통 오차는 실험기구를 교체하거나 측정 방법을 달리하는 등의 방식으로 오차를 최소화할 수 있다.
이와 같이 실험에서 발생하는 오차를 최소화하고 신뢰할 수 있는 결과를 도출하기 위해서는 실험 과정에서 여러 가지 요인을 고려하고 각 오차의 특성을 이해하여 적절한 방법으로 대처해야 한다.
1.3. 실험 대상 물질 소개
1.3.1. IPA(아이소프로필 알코올)
IPA(아이소프로필 알코올)는 분자식 C3H8O를 가지는 화학약품이다. IPA는 무색의 액체이며 알코올 향이 강하다. IPA는 물과 잘 혼합되며 휘발성이 강해 자기 얼룩을 남기지 않고 쉽게 증발한다. 또한 IPA는 인화성과 기화성이 높은 특징을 가지고 있다. IPA는 살균 작용을 하는 성질이 있기 때문에 소독약제, 세정액(반도체 세정액, 청소용 세제, 유리 세정제 등)으로 이용된다. 또한 인화성이 강해 페인트, 잉크 등으로도 사용된다. IPA는 물과 기름을 섞는 성질 덕분에 공정에서 석유계면활성제 제조를 위한 중간반응물의 용매로 이용된다. 또한 아세톤, 글리세린과 같은 타 화학물질을 합성하는데 원재료로 이용된다.[1]
1.3.2. 증류수
증류수는 순수한 물이다. 증류수는 중류 과정에서 모든 불순물이 제거된 화학식 H2O의 순수한 물이다. 증류수는 무색, 무취, 무미의 특성을 가지고 있다. 증류수는 실험실에서 화학 실험의 기본 용매로 널리 사용된다. 증류수는 순도가 매우 높아 실험 결과의 정확도와 신뢰성을 높이는 데 도움을 준다. 또한 증류수는 실험기구 세척에도 사용되며, 실험에 필요한 용액을 제조할 때 희석제로 활용된다. 이처럼 증류수는 실험의 모든 단계에서 필수적인 화학 실험 재료이다. 따라서 화학 실험에서 증류수의 사용은 매우 중요하며, 실험 결과의 신뢰성 확보에 필수적이다.
1.4. 실험 방법
1.4.1. 직접 측정 방식
실험 용액(IPA 용액)의 이름과 온도를 확인한다. 깨끗한 비중병 5mL에 IPA를 가득 채우고, 넘친 용액을 닦아준다. 저울의 영점을 확인한 후, IPA를 채운 비중병의 질량을 측정한다. IPA를 눈금 실린더에 비우고 빈 비중병의 질량을 측정한다. 액체 순질량을 계산한다. 눈금 실린더를 통해 액체의 부피를 측정한다. 이 과정을 3번 반복하여 액체의 순질량/액체의 누적질량/액체의 누적 부피를 구한 뒤, 누적질량/누적 부피 식을 이용해 밀도 값을 구한다. 밀도의 평균값을 계산한다.
비중병에 IPA나 증류수를 채울 때 남는 부피 없이 5mL 가득 채워주었는지 확인해야 한다. 용액이 넘치더라도 티슈로 닦아주어 실험의 오차가 없게 만들 수 있다. 비중병에 용액을 가득 채운 후와 드라이기로 말려준 뒤 빈 비중병을 만들 때 비중병 외부와 내부에 실험에 불필요한 잔여 용액이 남아있지 않은지 확인해야 한다. 작은 물방울이라도 용액의 질량과 빈 비중병의 질량을 다르게 만들 수 있다. 밀도의 평균값 등 실험값을 계산할 때 유효숫자에 유의해야 한다. 유효숫자는 오차 범위를 정확히 표기하는 방법이기 때문이다. 눈금 실린더에 IPA를 넣고 부피를 측정할 때는 눈금 실린더의 뚜껑을 닫은 후 측정해야 한다. IPA는 휘발성이 강하기 때문에, 공기 중으로 증발하여 오차를 유발할 수 있기 때문이다.
직접 실험 방법으로 구한 IPA의 밀도값은 부피=(질량/부피) 식을 이용하여 IPA의 누적 질량 / IPA의 누적 부피로 계산한 결과, 순서대로 0.71g/mL, 0.756g/mL, 0.760g/mL이었고, 평균값은 0.74g/mL이다. IPA의 문헌값 밀도 0.786g/mL와 차이가 있는데, 이는 IPA를 채운 비중병의 질량 차이, 액체를 비운 비중병의 질량 차이, 눈금 실린더에서 부피 측정 시 오차 등이 원인으로 추정된다. 이러한 계통 오차를 최소화하면 실험 정밀도와 정확도를 높일 수 있을 것이다.
1.4.2. 간접 측정 방식
간접 측정 방식은 IPA 용액의 밀도를 결정하는 또 다른 방법이다. 이 방법은 IPA 용액의 질량과 증류수의 밀도 문헌값을 이용하여 IPA 용액의 밀도를 간접적으로 계산한...
참고 자료
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정확성, 과학문화포털 사이언스올, https://www.scienceall.com/%EC%A0%95%ED%99%95%EC%84%B1accuracy/, (2019.07.08)
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