소개글
"화학공학실험 녹음열"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적
1.1. 용액의 총괄성에 대한 이해
1.2. 용질의 양에 따른 어는점 내림 현상 관찰
1.3. 나프탈렌의 녹음열 값 측정 및 문헌값 비교
2. 실험 이론
2.1. 용액의 총괄성
2.2. 어는점 내림
2.3. 녹음열
3. 실험 준비
3.1. 실험 기구 및 시약
3.2. 시약 특성 및 주의사항
4. 실험 수행
4.1. 온도 보정
4.2. 나프탈렌 용융 및 온도 측정
4.3. 다이페닐아민 농도별 실험
5. 실험 결과
5.1. 온도 보정 결과
5.2. 시간-온도 데이터 도식화
5.3. 용액의 어는점 측정
5.4. 녹음열 계산
6. 고찰 및 분석
6.1. 실험값과 문헌값 비교
6.2. 오차 원인 분석
6.3. 용액의 총괄성 성질에 대한 고찰
7. 결론
7.1. 실험 결과 요약
7.2. 학습 성과
7.3. 향후 연구 방향
8. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적
1.1. 용액의 총괄성에 대한 이해
용액의 총괄성이란 용액 내에 있는 용질 입자의 성질과는 상관없이 용질의 입자 수에만 의존하는 성질이다. 이는 묽은 용액의 경우 용질이 상대적으로 용매보다 적은 양이기에 무시할 수 있어 나타나는 현상이다. 비전해질 용질보다 전해질 용질이 녹은 용액에서 용액의 총괄성 효과가 더 크게 나타난다.
용액의 총괄성에는 증기압 내림, 끓는점 오름, 삼투압 등이 있으며, 이번 실험에서는 어는점 내림 현상을 관찰하고자 한다. 어는점 내림이란 몰랄농도에 비례하여 용액의 어는점이 순수한 용매보다 내려가는 현상을 의미한다. 이를 수식으로 나타내면 △Tf = mKf와 같으며, △Tf는 어는점 내림, m은 용액의 몰랄농도, Kf는 몰랄 어는점 내림 상수이다.
용액의 총괄성은 용질의 종류와 관계없이 용질의 농도에 의해 결정되므로, 이를 이용하면 분자량을 모르는 물질의 분자량을 예측할 수 있다. 또한 실생활에서도 자동차의 부동액이나 도로의 제설제 등에 활용되는 등 매우 중요한 성질이다.
이처럼 용액의 총괄성은 용질의 입자 수에만 의존하는 성질로, 용액 내 용질의 농도가 증가할수록 해당 성질들이 더 두드러지게 나타나는 특징을 보인다.
1.2. 용질의 양에 따른 어는점 내림 현상 관찰
용액의 총괄성에 해당하는 물성 중 하나는 어는점 내림 현상이다. 용액에 용질을 첨가함에 따라 용매의 어는점이 내려가는 현상을 나타내며, 이는 용질의 몰랄농도에 비례한다. 즉, 용질의 양이 증가할수록 용액의 어는점이 더욱 내려가게 된다.
본 실험에서는 나프탈렌에 다이페닐아민을 첨가하여 용질의 양에 따른 어는점 내림 현상을 관찰하고자 한다. 나프탈렌 6g에 다이페닐아민을 2g, 4g, 8g씩 각각 첨가하여 용액을 준비한다. 이때 준비한 용액의 시간-온도 데이터를 측정하여 어는점을 확인하고, 이를 통해 용질의 양에 따른 어는점 내림 정도를 살펴볼 수 있다.
구체적으로, 나프탈렌 6g에 다이페닐아민 2g을 첨가한 용액의 경우 어는점이 65.66°C로 측정되었다. 다이페닐아민의 양이 4g, 8g으로 증가함에 따라 어는점은 각각 56.57°C, 40.40°C로 더욱 내려가는 양상을 보였다. 이를 통해 용질의 양이 증가할수록 용액의 어는점이 낮아지는 어는점 내림 현상을 확인할 수 있었다.
어는점 내림 현상은 용액의 총괄성에 기인하는데, 용액 내 용질의 입자 수가 증가할수록 용매 분자들이 더 많은 용질 입자로 둘러싸이게 되어 용매의 상변화가 어려워지기 때문이다. 따라서 용질의 몰랄농도가 증가할수록 용액의 어는점이 더욱 내려가는 결과를 나타내게 된다.
이처럼 본 실험을 통해 용질의 양이 증가함에 따라 용액의 어는점이 낮아지는 경향성을 확인할 수 있었다. 이는 용액의 총괄성 개념을 이해하는 데 도움이 되며, 향후 다양한 용액계에서의 어는점 내림 현상을 이해하는 기반이 될 것이다.
1.3. 나프탈렌의 녹음열 값 측정 및 문헌값 비교
본 실험에서는 나프탈렌의 녹음열 값을 측정하여 문헌값과 비교하고자 한다. 실험값과 문헌값을 비교하여 오차의 원인을 분석하고자 한다.
먼저, 온도 보정을 통해 실험값의 계통오차를 줄인다. 실험에서 측정한 온도와 보정된 온도를 시간에 따라 나타낸 그래프를 도식화한다. 이를 통해 온도가 일정하게 유지되다가 급격히 변화하는 구간에서의 온도를 어는점으로 설정한다.
다음으로, {1/Tf} - lnXA에 대한 그래프를 도식화하고 기울기를 구한다. 이론식 lnXA = C - (ΔHfus/RT)를 이용하여 녹음열 ΔHfus 값을 계산한다. 문헌값인 19.3kJ/mol과 비교하여 상대오차를 분석한다.
실험값의 경우 기울기로부터 녹음열을 구하면 16.45kJ/mol로 나타난다. 이는 문헌값 대비 약 14.76%의 상대오차를 보인다. 이렇게 실험값과 문헌값이 근사한 것을 확인할 수 있다.
오차가 발생한 원인으로는 나프탈렌의 승화성, 온도 보정의 한계, 과냉각 현상 등을 고려해 볼 수 있다. 나프탈렌이 가지는 승화성으로 인해 실험 도중 시료 중량 변화가 있었을 것이다. 또한 온도 보정식을 통해 계통오차를 줄였지만 완전히 제거하지는 못했다. 과냉각 현상도 어느 정도 발생했을 것으로 보인다.
따라서 본 실험에서 측정한 나프탈렌의 녹음열 값은 문헌값에 근사한 수준이지만, 실험 오차로 인해 약간의 차이가 존재한다. 오차를 최소화하기 위해서는 나프탈렌의 물리적 특성을 보다 면밀히 고려하고, 온도 측정 및 보정 과정의 정확도를 높일 필요가 있다.
2. 실험 이론
2.1. 용액의 총괄성
용액의 총괄성이란 용액 내에 있는 용질 입자의 성질과는 상관없이 용질의 입자 수에만 의존하는 성질이다. 이는 묽은 용액의 경우 용질이 상대적으로 용매보다 적은 양이기에 무시할 수 있어 나타나는 현상이다. 비전해질 용질보다 전해질 용질이 녹은 용액에서 더 큰 효과를 나타낸다.
용액의 총괄성에는 증기압 내림, 끓는점 오름, 삼투압 등이 있다. 이 중에서 이번 실험에서 사용된 성질은 어는점 내림이다. 어는점 내림이란 몰랄농도에 비례하여 용액의 어는점이 순수한 용매보다 내려가는 현상을 의미한다. 이를 수식으로 나타내면 TRIANGLE T_f = m K_f 이다. 여기서 TRIANGLE T_f는 용액의 어는점과 순수 용매의 어는점의 차이, m은 용액의 몰랄농도, K_f는 몰랄 어는점 내림 상수이다. 따라서 용질의 양이 증가할수록 용액의 어는점이 내려가는 현상을 관찰할 수 있다.
용액의 총괄성은 용액의 다양한 성질을 설명할 수 있는 중요한 개념이다. 농도가 낮은 용액에서는 용질의 성질과는 상관없이 용질의 양에 따라 성질이 결정되므로, 이를 이용하여 분자량 측정 등에 활용할 수 있다. 또한 실생활에서 부동액, 염화칼슘 등의 활용 사례에서 볼 수 있듯이 용액의 총괄성은 매우 유용한 개념이라 할 수 있다.
...
참고 자료
Peter Atkins & Julio de Paula, 『ELEMENTS of PHYSICAL CHEMISTRY 6th Edition』, OXFORD, 2013, pp.148~149.
화학교재편찬위, 『최신 일반화학실험』, 동화기술, 2007, pp. 149~151
Raymond Chang, 『Raymond Chang, 레이먼드 창의 일반화학』, 사이플러스, 2010, p. 502.
대한화학회 『표준일반화학실험』, 천문각, 1988, pp. 42~44.
Raymond Chang, 『Raymond Chang, 레이먼드 창의 일반화학』, 사이플러스, 2010, p. 502.
Raymond Chang, 『Raymond Chang, 레이먼드 창의 일반화학』, 2013, pp. 741~750.
Peter Atkins & Julio de Paula, 『ELEMENTS of PHYSICAL CHEMISTRY 6th Edition』, OXFORD, 2013, pp.148~149.
화학교재편찬위, 『최신 일반화학실험』, 동화기술, 2007, pp. 149~151.
J.M.Smith 외 2명, 『Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 7th Edition』, McGrawHill, 2005, pp.492~495.
한국고분자학회, “고분자실험”, 자유아카데미 p.17~p.22
