소개글
"분자량 측정2 : 용액의 총괄성인 어는점 내림을 이용"에 대한 내용입니다.
목차
1. 분자량 측정
1.1. 어는점 내림에 의한 분자량 측정
1.2. 용액의 총괄성 개념
2. 실험 설계 및 방법
2.1. 실험 재료 및 장비
2.2. 실험 절차
2.2.1. 벤젠의 어는점 측정
2.2.2. 나프탈렌-벤젠 용액의 어는점 측정
2.3. 안전 유의사항
3. 실험 결과
3.1. 벤젠의 어는점 측정 결과
3.2. 나프탈렌-벤젠 용액의 어는점 측정 결과
3.3. 냉각 곡선 분석
4. 분자량 계산
4.1. 이론적 분자량
4.2. 실험적 분자량 도출
4.3. 오차 분석
5. 고찰 및 토의
5.1. 오차 발생 원인 분석
5.2. 실험 과정에서의 의문점
6. 결론
7. 참고 문헌
본문내용
1. 분자량 측정
1.1. 어는점 내림에 의한 분자량 측정
용액의 총괄성 중 하나인 어는점 내림 현상을 이용하여 화합물의 분자량을 측정하는 방법을 이해할 수 있다. 이를 위해 나프탈렌의 분자량을 측정하여 이론적인 분자량과 비교해볼 것이다.
순수한 용매의 어는점과 용액의 어는점 차이를 어는점 내림이라고 하며, 이는 용질의 몰랄농도에 비례한다. 따라서 어는점 내림 값을 측정하고 용질의 질량, 용매의 질량, 몰랄 어는점 내림 상수를 이용하면 용질의 분자량을 계산할 수 있다.
실험에서는 먼저 순수한 벤젠의 어는점을 측정하고, 이후 나프탈렌을 첨가한 벤젠 용액의 어는점을 측정하였다. 벤젠의 경우 실험 결과 어는점이 4.3℃로 나타났고, 나프탈렌-벤젠 용액의 경우 어는점이 2℃로 측정되었다. 이를 통해 어는점 내림 값을 2.3℃로 구할 수 있었다.
나프탈렌의 분자량을 계산하기 위해 사용한 공식은 M = (Kf × W2) / (ΔTf × W1) × 1000이다. 여기서 Kf는 벤젠의 몰랄 어는점 내림 상수 5.07이고, W2는 나프탈렌의 질량 0.5g, ΔTf는 어는점 내림 2.3℃, W1은 벤젠의 질량 8.595g이다. 이를 대입하면 나프탈렌의 분자량은 127.169g/mol로 계산된다.
이론적인 나프탈렌의 분자량이 128g/mol이므로, 실험 결과와 이론값 간의 오차는 약 0.649%에 불과하다. 이러한 정확한 분자량 측정이 가능한 이유는 어는점 내림이 용질의 입자 수에만 의존하는 총괄성 때문이다.
오차가 발생한 원인으로는 실험 과정에서의 온도 측정 오류, 용질 및 용매의 순도 불균일, 질량 측정의 오차 등을 들 수 있다. 또한 실험 과정에서 불확실성이 발생할 수 있는 부분은 몰랄 농도 대신 몰 농도를 사용하는 것의 적절성과 용매와 용질의 상호작용에 따른 어는점 내림 정도의 변화 등이다.
결과적으로 이번 실험을 통해 어는점 내림 현상을 활용한 분자량 측정법을 이해하고, 나프탈렌의 분자량을 정확하게 도출할 수 있었다. 또한 실험과정에서 발생할 수 있는 오차 원인을 분석하고 개선방안을 모색해볼 수 있었다.
1.2. 용액의 총괄성 개념
용액의 총괄성이란 용액 속에 들어있는 용질의 종류와는 무관하고 용질의 입자 수에만 의존하는 성질을 말한다. 용액의 총괄성에는 증기압 내림, 어는점 내림, 끓는점 오름, 삼투압 등이 포함된다.
증기압 내림은 용액 속에 녹아있는 용질이 용매의 증기압을 감소시키는 현상이다. 용질의 입자 수가 많을수록 용매 분자가 차지하는 상대적인 표면적이 줄어들어 증발이 더디게 일어나므로 증기압이 낮아지게 된다. 이는 라울의 법칙으로 설명할 수 있다.
어는점 내림은 용액의 어는점이 순수한 용매의 어는점보다 낮아지는 현상이다. 용질이 용매에 녹아있으면 용질 분자들이 용매 분자의 결정화를 방해하여 더 낮은 온도에서 어는점에 도달하게 된다. 어는점 내림의 정도는 용질의 몰랄 농도에 비례한다.
끓는점 오름은 용액의 끓는점이 순수한 용매의 끓는점보다 높아지는 현상이다. 용질이 존재하면 용매 분자가 기화되는 과정에서 용질 분자와의 상호작용으로 인해 더 많은 에너지가 필요하게 되어 끓는점이 높아진다.
삼투압은 반투과성막을 사이에 두고 농도가 다른 두 용액 사이에 발생하는 압력 차이이다. 농도가 낮은 용매가 농도가 높은 용액 쪽으로 이동하려 하는 현상이 삼투압의 원리이다. 이 역시 용질의 농도에 비례하는 총괄성 중 하나이다.
이처럼 용액의 총괄성은 용질의 종류와 관계없이 오직 용질 입자의 수에 의해 좌우되는 성질이다. 따라서 이러한 총괄성을 관찰하면 용질의 농도나 분자량 등을 파악할 수 있게 된다.
2. 실험 설계 및 방법
2.1. 실험 재료 및 장비
실험에 사용된 주요 기구는 스탠드, 클램프, 온도계, 시험관, 구리선, 초시계...
참고 자료
동국대학교화학과 화학실험실, 녹문당, 일반화학실험
두산백과, 어는점 내림
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1275802&cid=40942&categoryId=32251
Peter Atkins, (2019) Atkins' Physical Chemistry, 10th Edition, Oxford University Press
McCabe L. Warren, (2017) McCabe의 단위조작, 7th Edition, McGraw Hill Education
Smith, Janice Gorzynski, (2016) Organic Chemistry, 5th Edition, McGraw-Hill Education
[네이버 지식백과] 몰랄 농도 (Basic 고교생을 위한 화학 용어사전, 2002. 9. 30., 서인호)
[네이버 지식백과] 라울의 법칙 [Raoult's law] (두산백과 두피디아, 두산백과)
[네이버 지식백과] 총괄성 [colligative property, 總括性] (두산백과 두피디아, 두산백과)
[네이버 지식백과] 어는점내림 [Freezing point depression] (물리학백과)
동국대학교 화학과 화학실험실 편저. 일반화학실험. 녹문당, 2020. pp 135-138.
산업재해예방 안전보건공단, 화학물질정보검색, MSDS, 벤젠
https://www.atsdr.cdc.gov/toxfaqs/ToxFAQS_Foreign_Language_PDFs
산업재해예방 안전보건공단, 화학물질정보검색, MSDS, 나프탈렌
https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C91203&Mask=FFFF&Units=SI
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