본문내용
1. 몰질량의 측정 고찰
1.1. 실험 목적
이상기체 상태 방정식을 이용해서 쉽게 증발하는 기체의 몰질량을 결정하는 것이 이 실험의 목적이다. 원자나 분자의 질량을 직접 측정하기 어려우므로 상대적인 방법을 사용하여 몰질량을 결정한다. 기체의 상태 방정식을 이용하면 기체의 부피, 온도, 압력과 함께 용기를 가득 채우는 데 필요한 물질의 질량을 측정하여 몰질량을 계산할 수 있다.
이 실험에서는 액체를 가열해서 일정한 부피를 가진 플라스크의 내부를 기체로 채운 다음 플라스크를 다시 냉각시켜 액체로 만든 다음 질량을 측정하는 방법을 사용한다. 정밀한 측정을 위해서는 피크노미터를 사용하지만 이 실험에서는 100mL 둥근 플라스크 또는 삼각 플라스크를 사용한다.
1.2. 실험 이론
원자나 분자는 매우 작은 입자이기 때문에 질량을 직접 측정하는 것은 매우 어렵다. 이에 따라 원자나 분자의 질량을 나타내기 위해 상대적인 방법을 사용한다. 즉, 질량수 12인 탄소의 원자 몰질량을 12라고 정의하고, 이 동위원소 12g에 들어있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수(6.022 x 10^23)라고 하며, 아보가드로 수만큼의 원자 또는 분자를 1몰이라고 정의한다. 따라서 분자의 몰질량도 1몰에 해당하는 분자의 질량을 탄소 원자 1몰의 질량과 비교하여 결정한다.
분자의 몰질량을 측정하는 방법은 여러 가지가 있다. 그 중에서도 가장 간단하게 몰질량을 측정하는 방법은 기체의 상태 방정식을 이용하는 것이다. 대부분의 기체는 상온, 상압에서 이상기체 상태 방정식을 어느 정도 만족하기 때문에 기체의 부피, 온도, 압력과 함께 용기를 가득 채우는 데에 필요한 물질의 질량 W를 측정하면 이상기체 상태 방정식으로부터 몰질량 M을 계산할 수 있다. 이 실험에서는 액체를 가열해서 일정한 부피를 가진 플라스크의 내부를 기체로 채운 다음에 플라스크를 다시 냉각시켜 액체로 만든 다음에 질량을 측정하는 방법을 사용한다.
1.3. 시약 및 기구
본 실험에 사용되는 주요한 시약 및 기구는 다음과 같다. 100 mL 둥근 바닥 플라스크(round-bottom flask) 또는 삼각 플라스크(Erlenmeyer flask)를 사용하여 실험을 진행한다. 시료를 넣고 가열하기 위해 500 mL 비커(beaker)와 가열기(gas burner or hot plate)를 활용한다. 정확한 부피 측정을 위해 10 mL 눈금 피펫(measuring pipet)을 사용하며, 온도 측정에는 온도계(thermometer)를 사용한다. 플라스크를 지지하고 고정시키기 위해 스탠드, 클램프, 링 또는 삼각대(stand with base, burette clamp, ring with clamp or single ring tripod)를 사용한다. 가열한 플라스크를 안전하게 다루기 위해 면장갑(cotten gloves)을 착용한다. 그 외에도 바늘(needle), 알루미늄박(aluminum foil), 종이수건, 50 mL 눈금 실린더(graduated cylinder) 등의 기구를 사용한다. 실험에 사용되는 시료로는 CH3COOCH(CH3)2(isopropyl acetate), (CH3)2CHOH(2-propanol, isopropyl alcohol), CH3COOC2H5(ethyl acetate) 중 하나 또는 둘을 선택하여 사용한다.
1.4. 실험 방법
깨끗하게 씻어서 말린 100 mL 둥근 바닥 플라스크에 알루미늄박으로 뚜껑을 만들어 씌우고, 바늘로 작은 구멍을 뚫는다. 구멍의 크기는 작을수록 좋다. 뚜껑을 덮은 플라스크의 무게를 화학 저울을 사용해서 정확하게 측정한다. 플라스크에 약 3 mL의 액체 시료를 넣고 뚜껑을 다시 막고 스탠드에 고정시킨다. 500 mL 비커에 물을 절반 정도 채우고 끓을 때까지 가열한다. 플라스크를 비커의 바닥에 닿지 않을 정도로 물 속에 깊이 넣는다. 끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고, 플라스크 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다. 플라스크를 비커에서 꺼내면 안 된다. 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 산란 때문에 기체가 새어 나오는 것을 관찰할 수 있다. 액체가 모두 기화하면 잠시 기다린 후에 플라스크를 끓는 물에서 꺼내 식힌다. 플라스크는 매우 뜨거우므로 손으로 만지지 말고 면장갑을 끼고 꺼낸다. 플라스크 바깥에 묻어 있는 물기를 종이수건을 사용해서 완전히 닦아낸다. 바깥을 완전히 말린 플라스크와 뚜껑의 무게를 다시 측정한다. 플라스크를 깨끗하게 씻은 후에 증류수를 가득 채우고, 눈금 실린더를 사용해서 증류수의 부피를 측정하고 이 값을 이용해서 플라스크의 부피를 계산한다. 시간이 허용되면 위의 실험을 한 번 더 반복한다.
1.5. 실험 결과
실험에서는 몰질량이 큰 액체(CH3COOCH(CH3)2, 이소프로필 아세테이트)를 사용하여 이상기체 상태 방정식을 통해 몰질량을 결정하였다. 화학 저울을 사용하여 플라스크의 무게를 정확히 측정하였고, 100 mL 플라스크에 약 3 mL의 액체 시료를 넣었다. 액체가 모두 기화될 때까지 물 중탕으로 가열하였으며, 끓는 물의 온도와 대기압을 기록하였다. 플라스크를 식힌 후 다시 무게를 측정하여 기화된 시료의 질량을 구하였고, 이를 이상기체 상태 방정식에 대입하여 몰질량을 계산하였다. 이때 플라스크의 부피도 측정하여 계산에 활용하였다. 실험 결과, 몰질량은 41.88 g/mol로 나타났다. 절대오차는 4.19 g/mol, 상대오차는 9.1%였다.
1.6. 결과 고찰
이상기체 상태 방정식을 이용해서 쉽게 증발하는 기체의 몰질량을 결정하는 실험이었다. 이상기체 상태 방정식은 압력, 온도, 기체의 몰수, 부피 사이의 관계를 나타내는데, 대부분의 기체는 상온, 상압에서 이상기체 상태방정식을 어느 정도 만족한다. 따라서 기체의 부피, 온도, 압력과 함께 용기...
