소개글
"아주대 몰질량"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험 개요 및 목적
1.2. 기체의 거동에 대한 이해
1.3. 이상기체와 실제기체의 차이
2. 실험 원리
2.1. 이상기체 방정식
2.2. 반데르발스 방정식
2.3. 어는점 내림과 몰랄농도
3. 실험 방법
3.1. 실험 준비 및 절차
3.2. 액체의 질량과 부피 측정
3.3. 기화된 기체의 부피 측정
4. 결과 및 분석
4.1. 헥세인 실험 결과
4.2. 아세톤 실험 결과
4.3. 분자량 및 몰랄농도 도출
5. 고찰
5.1. 실험 오차 원인 분석
5.2. 이상기체와 실제기체 거동 차이
5.3. 실험 방법 개선 방안
6. 결론
6.1. 실험 결과 요약
6.2. 기체 거동에 대한 이해
6.3. 향후 연구 방향
7. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험 개요 및 목적
본 실험은 일정한 온도와 압력에서 보정된 기체 주사기 속에 액체를 넣은 뒤, 기화시켜 생성된 증기의 부피를 측정하여 액체의 몰질량을 결정하는 것이다. 이를 통해 이상기체 상태방정식과 반데르발스 식을 이용해 액체의 몰질량을 측정하고, 이상기체와 실제기체의 거동 차이를 이해하고자 한다. 이를 통해 기체 거동에 대한 이해를 높이고자 한다.
1.2. 기체의 거동에 대한 이해
기체는 압력과 부피, 온도 사이의 물리적 관계를 따르며 분자 간 상호작용으로 인해 이상기체와 실제기체의 거동 차이가 발생한다. 이상기체는 완전한 탄성충돌을 하는 가상적인 기체로 보일 법칙, 샤를 법칙, 아보가드로 법칙을 따르지만, 실제기체는 분자간 인력과 부피로 인해 이러한 법칙을 완벽히 따르지 않는다.
실제기체 분자는 질량과 부피를 가지며 인력이 작용하므로, 이상기체 가정처럼 완전탄성충돌을 하지 않는다. 따라서 실제기체의 압력이 이상기체보다 낮게 측정되며, 부피도 실제기체 분자 자체의 부피로 인해 이상기체보다 크게 나타난다. 또한 실제기체는 완전탄성충돌이 아닌 경우 에너지 손실이 발생할 수 있다.
이를 보정하기 위해 반데르발스 방정식이 제안되었다. 이 방정식은 이상기체 방정식에 인력 인자 a와 체적 인자 b를 도입하여 실제기체의 특성을 반영한다. 압력이 증가할수록 분자간 인력이 커지므로 압력은 이상기체보다 낮게 측정되며, 온도가 높아질수록 분자운동이 활발해져 이상기체와 유사한 거동을 보인다. 따라서 충분히 높은 온도와 낮은 압력에서는 실제기체도 이상기체와 유사한 성질을 나타낼 수 있다.
이러한 기체 거동의 차이는 어는점 내림 실험에서도 나타나는데, 이상기체 근사식을 실제기체에 적용할 경우 오차가 발생한다. 용액의 어는점 내림은 용질의 몰랄농도에 비례하므로, 실제기체와 이상기체의 몰랄농도 차이로 인해 실험값과 이론값 사이에 오차가 발생한다. 이를 최소화하기 위해 반데르발스 방정식을 적용하면 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다.
결론적으로, 기체의 거동은 분자 간 상호작용에 의해 이상기체와 실제기체 사이에 차이가 발생하며, 이를 이해하고 보정하는 것이 중요하다. 이러한 기체 거동에 대한 이해를 바탕으로 실험 오차를 줄이고 보다 정확한 결과를 도출할 수 있다.
1.3. 이상기체와 실제기체의 차이
이상기체는 구성 분자들이 모두 동일하며 보일 법칙, 샤를 법칙, 아보가드로 법칙에서 도출된 기체 방정식을 완전히 만족하는 가상적인 기체이다. 그러나 실제 기체는 이상기체의 가정과 달리 다음과 같은 특성을 갖는다.
첫째, 실제 기체에서는 기체 분자 사이에 상호작용(인력, 반발력)이 존재한다. 이상기체에서는 이러한 상호작용을 완전탄성충돌만 존재한다고 가정하지만, 실제 기체의 경우 이 가정이 성립하지 않는다. 따라서 실제 기체는 이상기체와 달리 압력이 증가하면 분자 간 인력이 강해져 압력이 낮아지고, 온도가 높아지면 분자 간 상호작용이 활발해져 이상기체의 성질과 다르게 나타난다.
둘째, 실제 기체 분자는 질량을 갖고 있으며 공간을 차지한다. 이상기체는 기체 분자의 부피를 무시하고 점입자로 취급하지만, 실제 기체에서는 분자의 부피가 유한하므로 이상기체와 거동이 다르다. 실제 기체 1몰당 분자가 차지하는 부피를 빼줘야 이상기체 부피에 가까워진다.
셋째, 실제 기체는 이상 기체와 달리 완전탄성충돌이 아닐 경우 에너지 손실의 발생할 수 있다. 이상기체에서는 분자 간 충돌이 완전탄성충돌이라 가정하지만, 실제 기체에서는 이러한 가정이 성립하지 않아 충돌 시 에너지 손실이 발생할 수 있다.
이처럼 실제 기체는 이상기체와 달리 분자 간 상호작용, 분자의 유한한 부피, 에너지 손실 등의 특성을 갖기 때문에 이상기체와 거동이 다르게 나타난다. 그러나 실제 기체를 충분히 높은 온도와 낮은 압력으로 설정하면, 이상기체와 거의 유사한 성질을 나타낼 수 있다.
2. 실험 원리
2.1. 이상기체 방정식
이상기체 방정식은 이상기체의 상태를 나타내는 방정식이다. 이상기체란 구성 분자들이 모두 동일하며 보일 법칙, 샤를 법칙, 아보가드로 법칙에서 도출된 기체 방정식을 완전히 만족하는 가상적인 기체이다. 완전한 이상기체는 실존하지 않으며 이상기체와 유사한 거동을 보이는 온도와 압력 조건이 있을 뿐이다. 이상기체 방정식은 기체의 상태를 압력(P), 부피(V), 온도(T), 몰수(n)의 관계로 나타낸다. 완전한 이상기체라면 이 4가지 변수 간 다음과 같은 관계가 성립한다. PV = nRT. 이 식에서 R은 기체상수를 의미한다. 이상기체 방정식은 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 포함하며, 기체의 거동을 설명하는 근간이 된다. 온도와 압력이 일정할 때 기체의 부피와 몰수는 비례하고, 압력과 부피는 반비례한다는 사실을 잘 설명한다. 또한 모든 기체는 같은 온도와 압력에서 같은 부피에 같은 개수의 분자를 포함한다는 아보가드로의 법칙도 이상기체 방정식으로부터 도출된다. 이처럼 이상기체 방정식은 기체 거동의 기본 원리를 설명하는 핵심 이론이다.
2.2. 반데르발스 방정식
반데르발스 방정식은 실제 기체의 거동을 보다 정확하게 나타내기 위해 제안된 기체 상태 방정식이다. 이상기체 방정식은 기체 분자 간 상호작용을 무시하지만, 실제 기체의 경우 분자 간 인력과 부피 효과로 인해 이상기체와 다른 거동을 보인다. 따라서 반데르발스 방정식에서는 이러한 요인을 보정하기 위해 추가적인 인자들을 도입하였다.
반데르발스 방정식은 다음과 같은 형태로 나타낼 수 있다.
(P + a/V^2)(V - b) = nRT
여기서 P는 압력, V는 부피, n은 몰 수, T는 절대 온도, R은 기체 상수이다. a와 b는 각각 분자 간 인력과 분자 부피 효과를 보정하기 위해 도입된 반데르발스 상수이다.
a 인자는 실제 기체 분자 사이의 인력으로 인해 기체의 압력이 낮아지는 정도를 나타낸다. 즉, 실제 기체의 압력은 이상기체의 압력보다 작게 측정되므로, a 인자를 통해 이를 보정한다.
b 인자는 실제 기체 분자가 유한한...
참고 자료
Haxane, Wikipedia, https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%97%A5%EC%84%B8%EC%9D%B8, (2022.03.26)
What is Boyle’s Law, BYJU’s, https://byjus.com/chemistry/boyles-law/, (2019.09.03)
Charle’s Law, byju’s, https://byjus.com/jee/charles-law/,
아보가드로 법칙, 위키피디아, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EB%B3%B4%EA%B0%80%EB%93%9C%EB%A1%9C_%EB%B2%95%EC%B9%99, (2022.03.27)
판데르발스 상태 방정식, 위키피디아, https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%90%EB%8D%B0%EB%A5%B4%EB%B0%9C%EC%8A%A4_%EC%83%81%ED%83%9C_%EB%B0%A9%EC%A0%95%EC%8B%9D, (2022.03.07)
Daniel C.Harris, , W.H.Freeman, 2008
용존 산소(dissolved oxygen) | 과학문화포털 사이언스올 (scienceall.com)
용존산소량(DO), 환경운동연합, http://naver.me/535SNL6P
Peter Atkins, P., & De Paula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry. OUP Oxford. (international edition_Topic 11B. Properties of Solutions)
Oxtoby, D. W., Gillis, H. P., & Butler, L. J. (2015). Principles of modern chemistry. Cengage learning.
아주대학교 공공기기센터 분석실 안내 _ 원소 분석기(EA) (TRSMCHNSC - 6280TRSM) 관련 설명 페이지
http://cmcm.ajou.ac.kr/equipment/view.php?equipment_no=24&rURL=%2Fequipment%2Flist_all.php
한국화학연구원 화학분석센터 보유장비 목록 페이지 _ 원소분석기(EA), Thermo Scientific Flash 2000, 담당자 박찬조
https://cca.krict.re.kr/bbs/board.php?bo_table=equipment_all&wr_id=33
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12