소개글
"연소열과 통열량계"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 연소열과 통열량계의 개념
1.2. 열, 일, 내부 에너지의 관계
1.3. 엔탈피와 헤스의 법칙
1.4. 연소 엔탈피와 열용량의 정의
2. 실험 이론 및 방법
2.1. 열량계의 구조와 원리
2.2. 표준시료 벤조산의 연소 화학반응
2.3. 실험 과정 및 절차
2.4. 데이터 처리 및 계산 방법
3. 실험 결과
3.1. 벤조산의 연소 실험 결과
3.2. 미지시료 연소 실험 결과
3.3. 벤조산과 미지시료의 연소 엔탈피 계산
4. 고찰
4.1. 실험 결과에 대한 분석
4.2. 열량계의 오차 발생 요인
4.3. 열량계의 응용 및 활용
5. 결론
5.1. 실험 결과 요약
5.2. 열량계 측정의 의의
5.3. 향후 연구 방향
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 연소열과 통열량계의 개념
연소열은 어떤 물질 1몰 또는 1g이 완전히 연소될 때 발생하는 열량이다. 이와 같은 연소 반응은 항상 발열 반응이며, 다른 부반응이 적고 빠르게 완결되기 때문에 비교적 측정하기 쉽다. 연소열을 측정하는 도구로는 액체와 고체의 연소는 봄베 열량계, 기체의 연소는 유코스 열량계를 사용한다.
통열량계는 액체와 고체 물질의 연소열을 측정하는 열량계이다. 통열량계는 강철 용기 형태로 부피가 일정하게 유지되며, 열손실이 적어 정확한 측정이 가능하다. 통열량계에는 외부재킷과 캔, 그리고 반응이 일어나는 통으로 구성되어 있다. 캔 속에 채워진 물의 온도 변화와 물의 열용량을 곱하여 반응열을 간접적으로 측정할 수 있다.
열용량은 물질의 온도 1℃를 올리는데 필요한 열량을 의미하며, 물질의 양에 비례하는 extensive property이다. 열량계의 열용량은 표준시료인 벤조산을 연소시켜 측정할 수 있다. 벤조산의 표준 연소 엔탈피가 알려져 있기 때문에, 벤조산 연소 실험을 통해 열량계의 열용량을 구할 수 있다.
연소열 측정 실험에서는 일정 압력 조건에서의 엔탈피 변화(∆H)를 측정하게 된다. 엔탈피는 내부에너지(∆U)와 압력-부피 변화(P∆V)의 합으로 나타내어 계산할 수 있다. 따라서 통열량계를 이용한 연소 엔탈피 측정 실험을 통해 물질의 표준 연소 엔탈피를 간접적으로 구할 수 있다.
1.2. 열, 일, 내부 에너지의 관계
일과 열은 에너지를 물리적으로 다른 방식으로 전달하는 개념이다. 일은 외부에서 가해진 힘에 의해 물체가 이동하면서 발생하는 에너지 전달이며, 열은 온도 차이에 의해 발생하는 에너지 전달이다. 이와 달리 내부 에너지는 미분 가능한 성질을 가진 상태 함수이다. 따라서 내부 에너지는 현재 상태에 따라 결정되며 경로와는 무관하다.
열역학 제1법칙에 따르면 고립계에서 내부 에너지의 변화량은 열과 일의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, ΔU = q + w의 관계가 성립한다. 이를 통해 일과 열이 물체의 내부 에너지를 변화시키는 서로 다른 방식의 에너지 전달 수단임을 알 수 있다.
또한 엔탈피 H는 내부 에너지 U와 압력-부피 일 PV의 합으로 정의된다. 따라서 엔탈피 변화 ΔH는 열량 변화 Δq와 같다. 이는 등압 과정에서 엔탈피 변화가 계에 출입한 열량과 같음을 의미한다. 엔탈피는 상태 함수이므로 반응물과 생성물의 상태만 알면 반응 경로에 관계없이 엔탈피 변화를 계산할 수 있다.
결과적으로 일, 열, 내부 에너지는 서로 다른 개념이지만 상호작용하며 물체의 에너지 변화를 기술하는 데 사용되는 중요한 열역학적 량들이다. 열역학 제1법칙을 통해 이들 간의 정량적 관계를 파악할 수 있다.
1.3. 엔탈피와 헤스의 법칙
엔탈피는 계의 내부에너지와 압력-부피 항의 합으로 정의된다. 즉, H = U + PV이다. 엔탈피는 계의 상태만 결정할 뿐 반응 경로와는 무관하다는 특성이 있다.
헤스의 법칙은 반응물과 생성물의 상태만 동일하다면 반응 경로와 관계없이 반응 엔탈피 변화는 일정하다는 것이다. 이를 이용하면 반응물과 생성물의 표준 생성 엔탈피를 알고 있다면 반응 엔탈피를 계산할 수 있다. 구체적으로, 표준 반응 엔탈피는 생성물들의 표준 생성 엔탈피의 합에서 반응물들의 표준 생성 엔탈피의 합을 뺀 값과 같다.
또한 엔탈피 변화는 물질의 상태 변화에 따라서도 달라지는데, 일정 압력 조건에서 엔탈피 변화는 열 변화와 같다. 즉, ΔH = qp이다. 이는 기체 상태 반응에서 부피 변화가 작기 때문에 압력-부피 항의 변화가 무시할 수 있을 만큼 작기 때문이다.
따라서 헤스의 법칙과 엔탈피와 열의 관계를 통해 반응물과 생성물의 표준 생성 엔탈피만 알면 반응의 표준 엔탈피 변화를 계산할 수 있다. 이렇게 계산된 표준 엔탈피 변화는 반응 과정에서 방출되거나 흡수되는 열량을 의미하게 된다.
1.4. 연소 엔탈피와 열용량의 정의
연소 엔탈피는 물질 1몰이 산소와 반응하여 가장 안정한 상태의 생성물을 만드는 완전 연소 과정에서 발생하는 열을 측정한 값이다. 연소 반응은 항상 발열 반응이며, 다른 부반응이 적고 빠르게 완결되기 때문에 비교적 측정이 쉽다. 액체와 고체의 연소는 봄베 열량계, 기체의 연소는 유코스 열량계로 측정하는 것이 일반적이다.
열용량은 물질의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량을 의미하며, 물질의 양에 비례하여 증가하는 extensive property이다. 단위 질량의 물질에 대한 열용량은 특별히 비열이라고 하며, 일정 압력 조건과 일정 부피 조건의 열용량은 각각 Cp와 Cv로 나타낼 수 있다. 이는 엔탈피와 내부에너지에 대한 변화량의 slope를 의미한다.
열량계는 연소열, 비열, 잠열 등을 측정할 때 사용하는 도구로, 화학 반응에 동반되는 열의 이동을 온도 변화를 통해 계산할 수 있게 해준다. 열량계에는 단열 열량계와 통 열량계 등이 있으며, 통 열량계는 강철 용기로 이루...
참고 자료
대한화학회, 물리화학실험, 교문사 1999, pp22-27
Atkins, physical chemistry, 9th ed, 2010, pp48-57
대한화학회, <물리화학실험>, 청문각(2009), p.22 ~ p.27
MSDS”작성일 알 수 없음, 안전보건공단 화학물질정보, 2020. 06. 03. 접속,
