소개글
"수소이야기 보고서"에 대한 내용입니다.
목차
1. 수상 치환을 이용한 수소 기체 포집
1.1. 배경 연구
1.2. 실험 목적 및 요약
2. 실험 재료 및 방법
2.1. 수소의 발생과 폭명성 시험
2.2. 물의 전기 분해
2.3. 금속 원소의 당량 결정
2.4. 수소의 선 스펙트럼
3. 실험 결과
3.1. 수소의 발생과 폭명성 시험
3.2. 물의 전기 분해
3.3. 금속 원소의 당량 결정
4. 고찰
4.1. 수소의 발생과 폭명성 시험
4.2. 물의 전기 분해
4.3. 금속 원소의 당량 결정
4.4. 수소의 선 스펙트럼
5. 참고 문헌
본문내용
1. 수상 치환을 이용한 수소 기체 포집
1.1. 배경 연구
수상 치환은 물에 잘 녹지 않는 기체를 포집할 때 이용하는 기체 포집 방법이다. 물에 잘 녹지 않는 기체인 수소와 산소를 포집할 때 주로 이용된다. 수상 치환 방법은 기체 포집 방법 중 가장 순도가 높은 기체를 모을 수 있는 방법이다. 기체 중 물에 잘 녹는 기체인 암모니아와 염화수소, 그리고 이산화탄소 등을 제외하고는 거의 모든 기체를 모을 때 이용된다. 이 방법은 물이 들어 있는 집기병이나 시험관에 기체를 모으기 때문에 외부로부터 불순한 기체가 섞일 가능성이 적어 깨끗한 기체를 모을 수 있다. 수상 치환으로 기체를 모을 때에는 우선 시험관에 물을 가득 채운 후 물이 들어 있는 수조에 거꾸로 세워 놓는다. 그리고 발생한 기체가 나오는 고무관을 집기병 입구에 넣으면 발생하는 기체가 물을 통과하여 위로 올라가 집기병 안에 채워지며, 물이 밀려 내려가게 된다. 이때 물과 기체가 서로 바뀌므로 '수상 치환'이라고 하는 것이다.
1.2. 실험 목적 및 요약
이번 실험의 목적은 화합물에 붙잡혀 있던 수소가 어떻게 발견되었는지 재현하고, 금속의 당량을 결정하며, 수소의 선스펙트럼을 관찰하는 것이다. 이를 위해 첫 번째 실험은 아연 금속에 6N HCl 용액을 가하여 발생한 수소 기체를 비눗방울을 이용해 포집하는 것이었다. 다음으로는 물의 전기 분해를 통해 지구상의 거의 모든 수소가 물의 형태로 잡혀 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 금속과 산을 반응시켜 얻은 수소 기체의 부피로부터 금속의 원자량과 당량을 측정할 수 있었는데, 실험 결과 측정된 Zn, Al, Mg의 원자량은 각각 94.36g/mol, 28.90g/mol, 22.53g/mol이었으며 실제 원자량과의 오차율은 각각 5.64%, 7.10%, 1.47%이었다. 마지막으로 수소 기체 방전관과 분광기를 사용하여 수소의 선 스펙트럼 중 '발머 계열'을 직접 눈으로 관찰할 수 있었다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1. 수소의 발생과 폭명성 시험
수상 치환법을 이용하여 발생한 수소 기체를 포집하였다. 수소와 산소와 같이 물에 잘 녹지 않는 기체를 모을 때 이용되는 기체 포집 방법으로, 수상 치환은 기체 포집 방법 중 가장 순도가 높은 기체를 모을 수 있다. 가지달린 플라스크에 고무관과 빨대를 연결한 후, 아연 조각을 넣고 6N 염산 용액을 가하였다. 빨대 끝에 비눗물을 묻혀 비눗방울이 생기면, 빨대를 조심스럽게 흔들어 비눗방울을 공중으로 띄운 후 라이터를 이용하여 불을 붙여보았다. 비눗방울이 공기 중으로 잘 떠오르지 않았지만, 빨대 끝에 묻혀 있던 비눗방울이 커지는 것을 통해 기체가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 발생한 기체가 수소라고 직접 확인하지는 못했지만, 아연과 염산의 반응식 Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)을 통해 발생한 기체가 수소라고 예측할 수 있었다. 이처럼 관찰한 결과에 근거하여 수소의 발생과 폭명성을 확인할 수 있었다.
2.2. 물의 전기 분해
전기분해 장치를 조립한 후, 0.1M H2SO4를 전해질로 넣어주었다. 전기분해 장치를 작동시켰을 때 양극과 음극에서 발생하는 기체의 부피비를 비교할 수 있었다.
(+)극에서는 산소 기체가, (-)극에서는 수소 기체가 발생하였다. 반응 후 각 전극 주위에서 생성된 H+와 OH-은 물 속에서 다시 만나 물을 형성하였다.
이론적인 부피비는 산소 기체 대 수소 기체가 1:2라는 것을 구할 수 있었다. 물이 산소 기체와 수소 기체로 전기 분해되는 반응은 비자발적이지만, 1.23V 이상의 외부 전압을 가해 주면 반응이 자발적으로 진행될 수 있었다. 하지만 실제 실험에서는 1.23V보다 높게 전압을 걸어주어야 전기분해가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 전극 표면 반응, 용액 저항, 활성화 에너지 등의 요인으로 인한 것으로 보인다.
전기분해 과정에서 관찰된 결과를 토대로, 물의 전기분해 반응식과 표준 기전력, 기체 발생 부피비 등을 체계적으로 설명할 수 있었다. 이를 통해 이상기체상태 방정식, 산화·환원 반응, 전기화학 등 화학 개념을 실험적으로 학습할 수 있었다.
2.3. 금속 원소의 당량 결정
본 실험에서는 금속과 산의 반응을 통해 발생한 수소 기체를 수상 치환 방법으로 포집하고, 발생한 수소 기체의 부피로부터 금속 원소의 당량을 결정하고자 하였다. 이를 위해 Zn, Al, Mg 세 종류의 금속을 대상으로 실험을 진행하였다....
참고 자료
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