나의최태원 스토어

나의최태원

개인인증

팔로워0 팔로우

소개

등록된 소개글이 없습니다.

전문분야 등록된 전문분야가 없습니다.

판매자 정보

학교정보

입력된 정보가 없습니다.

직장정보

입력된 정보가 없습니다.

자격증

입력된 정보가 없습니다.

판매지수

판매중 자료수

24개
전체 판매량

152개
최근 3개월 판매량

12개
자료후기 점수

평균A+
자료문의 응답률

-

전체자료 24개

이중관 열교환기_예비레포트 A+

예비레포트 실험제목 : 이중관 열교환기 조 : 학 번 : 이 름 : 1. 실험 목적 ● 이중관 열교환기의 구조와 작동 원리를 이해하고 향류와 병류의 열 교환 효율을 비교한다. ● 응축증기, 액체, 냉온 액체 간의 열 교환 특성을 분석하고, 총괄 열전달 계수를 계산해 열 수지와 효율을 분석한다. 2. 바탕 이론 (1) 열전달 열전달(Heat Transfer)은 물체 간의 온도 차를 구동력으로 에너지가 고온에서 저온으로 이동하는 현상을 말한다. 이에 따라 고온 물체의 에너지는 감소하고 저온 물체의 에너지는 증가하며 두 물체가 열적 평형 상태에 도달할 때까지, 즉 두 물체의 온도가 같아질 때까지 이러한 에너지의 이동은 계속된다. 에너지는 이동하지만 열역학 제1법칙에 따라 총량은 보존되며, 이동 과정에서 일을 하거나 내부에너지를 변화시키는 데 사용된다. 열전달 과정에서 단위 시간 동안 전달되는 열의 양을 열전달률( {dot{Q}})이라고 하며, 와트[ W=J`/`s]의 단위를 사용한다. 열전달률에 시간 개념을 도입해 특정 시간 동안 전달된 총열량( Q)을 다음과 같이 계산할 수 있다. Q`=` int _{0} ^{TRIANGLE t} {{dot{Q}} ``dt} Q : 열량 [ J] t : 시간 [s] {dot{Q}} : 열전달률 [ W=J`/`s] 열이 전달되는 방향에 수직인 단위 면적에 대한 열전달률을 열 유속(Heat Flux, {dot{q}})이라고 하며, 단위는 [ W`/`m ^{2}]를 사용한다. 면적 A에 대한 열 유속의 평균은 다음과 같이 나타낼 수 있다. {dot{q`}} `=` {{dot{Q}}} over {A} {dot{q}} : Heat flux [ W`/`m ^{2}] A : 단위 면적 [ `m ^{2}] {dot{Q}} : 열전달률 [ W=J`/`s] 열전달은 전도, 대류, 복사의 3가지 형태로 발생하며 이에 대한 설명은 아래와 같다. (2) 전도(Conduction) 전도는 물체 내에서 입자 간의 상호작용을 통해 열이 전달되는 방식을 말한다다. {Partial } over {Partial x} (k {Partial T} over {Partial x} )`+` {dot{e}} ` _{g`en} `=` rho c {Partial T} over {Partial t} k {Partial ^{2} T} over {Partial x ^{2}} `+` {dot{e}} ` _{g`en} `=` rho c {Partial T} over {Partial t} 초기 가정의 상황을 실린더 또는 구에 대해 적용한다면 1차원 비정상상태 열전도 방정식을 다음과 같이 각각 유도할 수 있다. 원통형(Cylindrical coordinates) : {1} over {r} {Partial } over {Partial r} (rk {Partial T} over {Partial r} )`+` {dot{e}} _{g`en} `=` rho c {Partial T} over {Partial t} 구형(Spherical coordinates) : {1} over {r ^{2}} {Partial } over {Partial r} (r ^{2} k {Partial T} over {Partial r} )`+` {dot{e}} _{g`en} `=` rho c {Partial T} over {Partial t} 유도한 식들을 통해 고정된 열전도도 k에 대하여 특정 조건에서의 식을 다음과 같이 정리할 수 있다. Table 1. 조건에 따른 열전도 방정식정상상태 ( {Partial } over {Partial t} =0) ㆍ평면 벽 : {Partial ^{`2} T} over {Partial x ^{`2}} `+` {{dot{e _{g`en}}}} over {k} `=`0ㆍ실린더 : {1} over {r} {Partial } over {Partial r} (r {Partial T} over {Partial r} )`+` {{dot{e}} _{g`en}} over {k} `=`0 ㆍ구 : {1} over {r ^{2}} {Partial } over {P한 유체 흐름의 방향에 따라 병류와 향류로 구분할 수 있으며 각각의 특징은 다음과 같다. - 병류(평행류, Parallel Flow) 고온의 유체와 저온의 유체가 같은 방향으로 흐르며 열을 교환하는 방식이다. 두 유체 간의 온도 차이가 급격하게 변화하기 때문에 향류에 비해 효율이 낮다. - 향류(대향류, Counter Flow) 고온의 유체와 저온의 유체가 서로 반대 방향으로 흐르며 열을 교환하는 방식이다. 두 유체 간의 온도 차이가 일정하게 유지되기 때문에 병류에 비해 효율이 높다. Fig 5. 이중관 열교환기에서 병류와 향류의 형태 및 온도 변화 (7) 열 교환량( Q) 이중관식 열교환기에서 고온의 유체로부터 저온의 유체로 열의 전달 과정을 분석하는 본 실험에서는 열역학 제1 법칙을 통해 열 교환량을 계산한다. 이때 다음의 가정이 전제된다. ① 열교환기 내부의 유체는 정상상태이다. ② 열전달은 1차원 방향으로만 이루어지며, 축 방향의 열전도는 무시한다. ③ 유체의 비열( C _{p})과 열전도도( k)는 온도와 무관하게 일정하다. ④ 열교환기는 완전히 단열된 고립계로, 유체 간의 열전달을 제외한 외부와의 열 교환은 없다. ⑤ 유체의 흐름으로 인한 운동에너지 및 위치에너지 변화는 무시한다. 위 가정들을 통해 본 실험에서의 열 교환 환경은 열역학 제1 법칙을 따르며, 외부로의 열 손실이 발생하지 않는 단열 조건의 이중관식 열교환기임을 의미한다. 따라서 고온 유체가 방출하는 열량은 저온 유체가 흡수하는 열량과 같으며 이를 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. LEFT | Q _{`h} RIGHT | `=` LEFT | Q _{`c} RIGHT | Q _{h} `=`m _{`h} `C _{`p} (T _{i`n} `-`T _{out} ) Q _{`c} `=`m _{c} C _{`p} `(T _{out} `-`T _{i`n} ) Q _{w} : 고온의 유체가 방출하는 열량 [ J] Q _{`c} : 저온의 유체가 흡수하는 열량 [ J] m _{h} : 고온의 유체 A _{i}} = {1} over {U _{o} A _{o}} =R _{total} = {1} over {h _{i} A _{i}} + {ln(D _{o} /D _{i} )} over {2 pi kL} + {1} over {h _{o} A _{o}} ??? (3) 이를 U _{i}와 U _{o}에 대해 정리하면 다음과 같다. U _{o} =` {1} over {{A _{o}} over {h _{i} A _{i}} + {Q _{o} ln(D _{o} /D _{i} )} over {2 pi kL} + {1} over {h _{o}}} ```````````` rarrow `````` {1} over {{D _{o}} over {h _{i} D _{i}} + {D _{o} ln(D _{o} /D _{i} )} over {k} + {1} over {h _{o}}}# ````````# `````````` {1} over {{D _{o}} over {h _{i} D _{i}} + {x _{w} D _{o} ln(D _{o} /D _{i} )} over {kx _{w}} + {1} over {h _{o}}} ``````` rarrow ````` {1} over {{D _{o}} over {h _{i} D _{i}} + {x _{w} D _{o}} over {kD _{L}} + {1} over {h _{o}}} ??? (4) U _{i} `=` {1} over {{1} over {h _{i}} + {A _{i} ln(D _{o} /D _{i} )} over {2 pi kL} + {A _{i}} over {h _{o} A _{o}}} `````` rarrow `````` {1} over {{1} over {h _{i}} + {D _{i} ln(D _{o} /D _{i} )} over {k} {D _{i}} over {h _{o} D _{o}}}# ```````````# `````````` rarrow ` {1} over {{1} over {h _{i}} + {x _{w} D IMES {L} over {t} ` REL rarrow {L/t=u} {} ` {rho uL} over {mu } THEREFORE Reynolds`` NU mber``=`` {rho {bar{u}} D} over {mu } = {{bar{u}} `D} over {nu } `[=] {m} over {} ` {m} over {s} {kg} over {m ^{3}} {ms} over {kg} `=`무차원 mu : Fluid의 점성계수 (kg/m` BULLET s) D : 관의 직경(cm) rho : 유체의 밀도( kg`/`m ^{3}) {bar{u}} : 입자의 평균 속력 ( m`/`s) nu : 동점도계수 ( m ^{2} `/`s) 앞서 설명한 것과 같이 Reynolds number는 점성력에 대한 관성력의 비로 나타내어지기 때문에 그 값이 1보다 크다면 관성력이, 1보다 작다면 점성력이 지배적인 흐름이라고 할 수 있다. 일반적으로 Reynolds number가 2100 이하일 때를 층류, 2100~4000까지를 전이영역, 4000 이상을 난류로 구분한다. 본 실험에서는 Re GEQ 10,000인 난류 흐름의 유동을 사용한다. 이는 불규칙한 흐름을 갖는 난류의 특성을 통해 파이프 전체에 균일한 열을 전달함으로써 열전달에 의한 온도 편차를 최소화하기 위함이다. ● 대류 열전달 계수 h 위에서 유도한 무차원수를 통해 해당 조건에서의 국소 Nusselt number를 다음과 같이 나타낼 수 있다. NU _{x} = {h _{x} x} over {k} =0.0296Re _{x}^{0.8} Pr ^{1/3}, LEFT [ eqalign{0.6 LEQ Pr LEQ 60# 5 TIMES 10 ^{5} LEQ Re _{x} LEQ 10 ^{7}} RIGHT ] 이를 전체에 대한 평균 Nusselt number로 나타내면 다음과 같다. NU `=` {hL _{c}} over {k} `=`0.037Re _{L}^{0.8} Pr ^{1/3}, LEFT [ eqalign{0.6 LE15

공학/기술| 2025.03.08| 24페이지| 1,000원| 조회(108)

열교환기, A+, 단위조작이론및실험2

미리보기

닫기
삼각도를 이용한 상평형도_예비레포트 A+

예비레포트실험제목 :삼각도를 이용한 상평형도조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적삼성분계(Three-component system)에 대한 상평형을 이해하고, 이를 기반으로 상평형도를 작성할 수 있다. 특히 아세톤(Acetone), 톨루엔(Toluene), 물(Water)로 이루어진 임의의 조성 용액을 삼각도(Tertiary diagram) 상에 배열함으로써 1상 및 2상 영역을 구분하고 상경계도를 도출할 수 있다.2. 바탕 이론(1) 상(Phase)과 상전이(Phase Transition)상은 물질이 균일한 물리적 성질을 유지하는 계를 말하며, 물질을 구분하는 기준 중 하나이다. 일반적으로 고체, 액체, 기체, 플라즈마의 4가지 상이 존재하며, 동일한 상태(State)에서도 상이 다를 수 있다. 상은 특정한 열역학적 조건(온도, 압력 등)에서 물리적 성질이 동일한 물질계를 의미하며 비열, 밀도, 압축률, 굴절률 등의 물리적 특성이 균일하게 나타난다. 상(Phase) 개념은 상태(State) 개념과 혼동될 수 있지만, 상이 더 구체적이고 물질의 균일한 성질에 집중하는 개념이라면 상태는 이보다 더 포괄적인 개념으로 물질의 물리적 상태 전반을 의미한다. 물과 기름이 모두 액체 상태이지만, 서로 다른 상으로 각각 존재하며 서로 섞이지 않는 것이 이를 나타내는 대표적인 예이다.또한 물질은 온도나 압력의 변화에 따라 상이 변화할 수 있는데, 이를 상전이(Phase Transition)라고 한다. 상전이는 물리적인 변화로 물질의 구조가 변하며 기존의 상과 물리적 성질이 다른 새로운 상을 형성하게 된다. 변화하는 상의 종류에 따라 다음의 표와 같이 구분할 수 있으며 얼음이 물로 녹는 융해, 물이 기체로 변화하는 증발, 고체에서 기체로 변화하는 승화 등이 대표적인 예시이다.Table 1. 상전이 종류상전이최종 상고체액체기체플라즈마초기 상고체동소전이용융, 융해승화-액체응고-증발, 기화-기체응화, 승화응축, 액화-전리, 이온화플라즈마--재결합, 탈이온화-(2) 상평형(Phase도록 하겠다.Fig 1. 상평형도상평형 상태를 이해하기 위해서는 상평형도(Phase Diagram)가 중요하다. 상평형도는 물질이 다양한 온도와 압력에서 어떤 상으로 존재하는지를 시각적으로 나타낸 그래프이다. 상평형도에서는 각각의 영역이 고체, 액체, 기체와 같은 순수한 상을 나타내며 각 영역을 구분하는 경계선은 각 영역에 해당하는 상들이 평형을 이루며 공존하는 상태를 나타낸다. 고체와 액체 영역의 경계선은 고체-액체 평형을, 액체와 기체 영역의 경계선은 액체-기체 평형을 의미하는 것이다.상평형도를 분석함에 있어 중요한 두 가지 지점에 대해 알아보자. 첫 번째는 삼중점(Triple Point)이며 고체, 액체, 기체 세 가지 상이 동시에 평형을 이루는 온도와 압력 조건 지점을 의미한다. 물의 삼중점은 0.01℃, 611.657Pa이며, 해당 조건에서 고체, 액체, 기체 상태가 함께 공존하게 된다. 두 번째는 임계점(Critical Point)이다. 임계점은 액체와 기체상을 구분할 수 있는 최대 지점으로 해당 지점 이상에서는 액체와 기체의 구분이 모호해지는 초임계 상태(Supercritical State)에 도달하게 된다. 이때 초임계 상태가 고체, 액체, 기체와 같이 상평형도에서 하나의 영역으로 나타나지만, 상의 한 종류로써 다루어지지는 않는다는 것에 주의해야 한다.(3) 깁스 상률(Gibbs Phase Rule)깁스 상률은 닫힌계에서 상평형을 이루는 시스템에 대해 독립적으로 조정 가능한 변수의 수(자유도)를 정의하는 규칙이다. 이를 통해 계의 상태를 설명하기 위해 필요한 성분의 수, 상의 수, 반응과 제한조건 등을 고려해 자유도를 계산할 수 있다. 깁스 상률은 평형상태에서 닫힌계의 특성을 이해하는 데 매우 중요하며 다음의 공식을 통해 나타낼 수 있다. 이때 2는 압력과 온도를 의미한다.F`=`C`-`P`+`2`-`N _{rxn} `-`N _{constraint}F: 자유도C: 독립적인 성분의 수P: 평형상태로 존재하는 상의 수N _{reaction}: 독립적을 말한다. 본 실험에서는 아세톤, 톨루엔, 물의 세 가지 성분이 삼성분계를 형성하며, 이때 독립적인 성분의 수C=3이다.- 상(Phase,P)앞서 설명한 것처럼 상은 물질이 물리적, 화학적으로 동일한 성질을 가지는 것을 말하며, 상의 수에 따라 균일계와 불균일계로 구분된다. 먼저 균일계(P=1)에서는 계의 모든 부분에서 동일한 물리적, 화학적 성질이 나타나며, 소금물이나 공기가 대표적인 예시이다. 또한 불균일계(P GEQ 2)에서는 두 개 이상의 상이 공존하며, 물과 기름처럼 혼합되지 않는 두 상을 갖는 경우가 이에 해당한다.- 독립적인 반응의 수(N _{reaction})독립적인 반응이란 계에서 발생하는 물리적, 화학적 반응을 의미한다. 본 실험에서는 물리적, 열적 평형상태 외의 추가적인 반응이 일어나지 않으므로,N _{reaction} =0이라 가정할 수 있다.- 제한조건의 수(N _{constraint})제한조건은 실험의 조건에 따라 결정된다. 만약 실험 조건 중 정압 또는 정온 조건이 존재한다면 이는 제한조건으로써 자유도 계산 시 고려되어야 한다. 본 실험에서는 정압과 정온 조건이 모두 존재하기 때문에N _{constraint} =2이다.따라서 물리적, 열적 평형 관계를 제외한 추가적인 독립적 반응이 존재하지 않는 아세톤, 톨루엔, 물의 삼성분계를 정온, 정압 조건에서 다루는 본 실험에 대한 깁스 상률 식은 다음과 같이 표현할 수 있다.F`=`3`-`P`+`2`-`0`-`2(N _{rxn} `=`0,N _{constraint} `=`2,C`=`3)THEREFORE `F`=`3`-`P(4) 삼각도(Triangular Diagram)일반적으로 순수한 물질의 상평형도는 압력과 온도의 관계를 2차원으로 나타내고, 이성분계는 온도와 농도의 관계로 그래프화 할 수 있다. 하지만 삼성분계는 세 성분의 조성을 고려해야 하기 때문에 3차원 그래프로 나타낼 수 있으며 이를 삼각도 라고 한다.Fig 2. 삼각도위의 삼각도에서 Z축은 온도를 의미한다. 따라서 만약 온도와 형 내부의 임의의 점은 세 성분이 혼합된 비율을 나타내는 것이며 각 성분의 조성은 삼각도 상에서 해당 성분으로 수직선을 그어 파악할 수 있다.- 삼각도 해석 방법삼각도 내부의 특정 지점에서의 조성을 알기 위해서는 다음의 과정을 따른다.Fig 4. 삼각도 해석 방법① 조성을 알고 싶은 점에서 해당 성분이 포함된 두 변을 연결하는 직선을 그린다.② 알고자 하는 성분의 꼭짓점에서 ①에서 그린 직선에 수직인 수선을 그린다.③ 앞서 그린 수선과 직선의 교차점에서 직선을 따라 변의 방향으로 이동하며, 변과 직선의 교차점이 해당 성분의 wt%를 나타내게 된다.이처럼 삼각도를 사용하면 삼성분계에서 각 성분의 비율을 시각적으로 도출할 수 있다는 장점이 있다.(5) 상경계 곡선(Binodal Curve)상경계 곡선은 삼성분계에서 상의 분리 여부를 구분하는 경계선을 의미하며 삼각도 상에서 곡선의 형태로 나타난다. 이 곡선을 기준으로 외부는 모든 성분이 잘 혼합된 단일 상으로 존재하며, 내부는 상이 분리된 영역으로 존재한다. 따라서 상경계 곡선을 통해 상분리가 발생하는 조성 범위를 파악할 수 있다. 본 실험에서 사용하는 톨루엔-물-아세톤 혼합계에서 톨루엔과 물이 서로 섞이지 않아 상이 분리되는 경우 상경계 곡선의 도입이 필수적이다. 하지만 만약 각 성분이 서로 잘 섞이는 경우라면 상경계 곡선은 존재하지 않는다.Fig 5. 상경계 곡선상경계 곡선의 바깥쪽 영역 즉, 모든 성분이 하나의 상(P=1)으로 균일하게 혼합된 상태에서는 깁스 상률을 통해 자유도를 계산할 수 있으며(F=C-P=3-1=2), 그 값은 2이다. 따라서 두 성분의 조성을 안다면 해당 계를 완전히 정의할 수 있다. 반면, 상경계 곡선의 안쪽 영역 즉, 상이 분리되어 두 가지 이상의 상(P=2)이 존재하는 상태에서는 자유도(F=C-P=3-2=1)가 1이 되기 때문에 한 성분의 조성만 알아도 해당 계를 정의할 수 있게 된다. 이때 경계선 상에 위치한 점들은 두 상이 해당 지점의 조성에서 평형을 이루고 있음을 의미한다.(6 & Plait point위의 그림에서bar{MN}은 대응선의 한 예시이다. 대응선 상의 점, 즉bar{MN} 상에 존재하는 지점은 두 상이 대응선과 상경계 곡선이 만나는 지점에서의 조성으로 존재한다는 것을 의미한다. 점 O의 상황을 살펴보자. 대응선bar{MN} 상에 존재하는 점O는 점M과 점N의 조성을 갖는 두 가지의 상으로 이루어진 지점이다. 이때 평형 상태에 있는 각 상의 질량비는 지렛대 법칙(Lever Rule)을 이용한{bar{MO`}}와{bar{NO`}}의 비를 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.M`:`N``=`` {{bar{NO`}}} over {{bar{MN`}}} `:` {{bar{MO`}}} over {{bar{MN`}}}상대적인M의 양 :{{bar{NO`}}} over {{bar{MN`}}}상대적인N의 양 :{{bar{MO`}}} over {{bar{MN`}}}삼각도 상의 대응선을 그리다 보면 그 길이가 짧아지다가 결국 길이의 개념이 사라지는 지점에 도달한다. 위의 그림 상에서는 점P의 상황을 의미하며 이를 상계점이라고 한다. 상계점은 평형 상태에 있는 두 상의 조성이 동일한 지점으로, 상경계 곡선에서 그릴 수 있는 대응선의 마지막 지점이 된다. 상계점에서는 두 상이 분리되어 존재하지만, 그 조성은 동일하다. 또한 대응선은 자연스럽게 기울기를 갖게 되는데 이는 각 성분의 상대적인 용해도를 의미한다. 위의 그림처럼 대응선이 양의 기울기를 갖는다면 성분A가 성분B보다 성분C에 더 잘 용해된다는 것을 의미한다. 음의 기울기는 반대의 상황을 의미하며 상대적인 용해도의 차이에 따라 상계점의 위치가 결정된다.(7) 상호 용해도상호 용해도는 두 액체 성분, 예를 들어 성분 A와 B를 혼합했을 때 완전히 섞이지 않고 상분리가 발생하는 경우에 적용되는 개념이다. 이때 순수한 A와 B로 상분리 되는 것이 아니라 A가 용해된 B와 B가 용해된 A와 같이 성분의 일부가 섞인 두 상으로 구분된다. 다시 말해 A와 B가 서로 용매와 용질로 작용하며, 이를 상호 용기

공학/기술| 2025.03.08| 15페이지| 1,000원| 조회(108)

A+, 상평형, 단위조작이론및실험2

미리보기

닫기
재결정 및 분별결정_예비레포트 A+

예비레포트실험제목 :재결정 및 분별결정조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적본 실험은 물질에 따라 달라지는 용해도의 특성과 온도에 따른 용해도 변화를 이해하는 것을 목적으로 한다. 이를 바탕으로, 혼합물에 포함된 불순물을 제거하고, 분별결정을 통해 물질을 석출한 뒤 수득률을 계산한다.2. 바탕 이론(1) 용해(Dissolution)용해는 용질이 용매에 균일하게 섞여 용액을 형성하는 과정을 말한다. 이때 용매(Solvent)는 용질을 녹이는 물질을, 용질(Solute)은 용매에 녹는 물질을 의미한다. 이때 용매는 극성의 유무에 따라 극성 용매와 무극성 용매로 구분되며, 탄소 유무에 따라서는 유기 용매와 무기 용매로 구분하기도 한다. 특히 극성은 용매와 용질의 관계에서 중요한 요소 중 하나인데, 용질이 용매에 잘 녹기 위해서는 둘의 성질이 유사해야하기 때문이다. 즉 극성 용매에는 극성 용질이 잘 용해되며, 비극성 용매에는 비극성 용질이 잘 용해된다. 또한 완전한 용해 상태에서 용질의 농도는 용액의 모든 부분에서 동일하게 나타난다. 용액의 대표적인 예로는 소금물이 있으며 이때 용매는 물, 용질은 소금이다.Fig 1. 용해(Dissolution)용해의 과정은 열역학적으로 설명될 수 있다. 먼저 용해 과정에서 에너지는 흡수되거나 방출된다. 용매와 용질의 결합으로 인해 에너지가 방출되는 과정은 발열 반응이라 하며, 발열 반응의 용해 엔탈피는 음의 값을 갖는다. 반면, 용질과 용매 각각의 인력을 극복하기 위한 에너지가 결합으로 인해 방출되는 에너지보다 많다면 에너지를 흡수하는 흡열 반응이 일어난다. 흡열 반응에서의 용해 엔탈피는 양의 값으로 나타난다.Fig 2. 발열 반응(좌)과 흡열 반응(우)에서의 용해 엔탈피또한 용해는 열역학 제2 법칙을 통해서도 설명될 수 있다. 용해 과정에서 용질은 무질서하게 퍼지게 되는데 이는 용해가 엔트로피, 즉 무질서도가 증가하는 방향으로 발생하는 자발적인 반응이라는 것을 의미한다. 결론적으로 용해는 열역학 제2 법칙을 만족하기 위해 용액 내 수 있는 능력을 나타내는 개념이다. 물을 용매로 사용할 때, 용해도는 온도에 따라 다음과 같은 용해도 곡선으로 나타낼 수 있다.Fig 3. 물의 용해도 그래프위와 같은 용해도 곡선에서 특정 온도에서의 용해도가 곡선보다 위에 있다면, 용매가 더 이상 용질을 녹일 수 없는 과포화 상태에 도달했다는 것을 의미한다. 과포화 상태에서는 용질이 녹지 않고 가라앉기 때문에 육안으로도 관찰할 수 있다. 용매를 추가하거나 온도를 변화시켜 과포화 상태의 용액에서의 용해도를 증가시킬 수 있다. 반대로, 용해도가 곡선의 아래에 있다면 이는 불포화 상태를 의미하며 더 많은 용질을 녹일 수 있다는 것을 의미한다. 또한 용해도가 곡선 상에 위치한다면 포화 상태에 도달했다는 것을 의미하며, 해당 온도에서 용매가 녹일 수 있는 용질의 최대 양 만큼을 녹인 상태이다. 만약 불포화 상태의 용액을 포화 상태로 만들고 싶다면 용질을 더 첨가하거나 용액의 온도를 조절하면 된다.● 용해도에 영향을 주는 요인① 온도온도가 용해도에 미치는 영향을 이해하기 위해서는 해당 용해 반응이 발열 반응인지, 흡열 반응인지 구분할 필요가 있다. 앞서 설명한 것처럼 고체 용매가 용해될 때 용질과 용매 간의 인력이 용질 또는 용매의 내부 인력보다 크다면 발열 반응이, 작다면 흡열 반응이 일어난다. 각 반응에서 온도가 용해도에 미치는 영향은 계의 평형은 외란을 상쇄시키는 방향으로 이동한다는 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다. 먼저 발열 반응에서는 반응이 진행됨에 따라 열이 방출되므로 온도가 상승하면 이를 상쇄하기 위해 역반응이 촉진된다. 따라서 용해도가 감소하고 용질이 석출된다. 반면, 흡열 반응에서는 반응이 진행됨에 따라 주변의 열을 흡수하기 때문에 온도가 상승한다면 정반응이 촉진되며 용해도가 증가한다.하지만 모든 용해 반응에 대한 온도의 영향이 흡열 또는 발열 과정에 의해 결정되는 것은 아니다. 예를 들어 질산나트륨(NaNO _{3})의 용해와 염화칼슘(CaC`l _{2})의 용해는 각각 흡열 반응, 발열 반응이지는다. 분자 운동론적 관점에서 기체 분자는 온도가 상승함에 따라 운동에너지가 증가하고 병진운동이 활발해지기 때문에 고온에서의 기체 분자는 용매와의 인력을 극복하고 밖으로 빠져나가게 된다. 또한 일반적으로 기체 용질의 용해는 발열 반응이기 때문에 기체의 용해도는 온도가 상승할수록 감소하는 경향성을 갖는다.Fig 4. 기체 용질의 용해도② 압력압력이 용해도에 미치는 영향은 용질의 상태에 따라 달라진다. 고체나 액체 용질의 경우 압력 변화가 용해도에 미치는 영향은 무시할 수 있을 정도로 미미하다. 하지만 기체 용질의 경우 압력은 용해도에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 이는 헨리의 법칙을 통해 설명할 수 있다. 헨리의 법칙은 특정 온도에서 일정 부피의 액체 용매에 대한 기체 용질의 용해 정도는 기체 용질의 분압에 비례한다는 법칙이며 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.p`=`k _{h} `cp :기체 부분압(atm)k _{h} :헨리상수(kg BULLET mol`/`atm BULLET m ^{3})c :용매 내 기체 농도(kg BULLET mol`/`m ^{3})위의 식에서 헨리 상수k _{h}는 온도에 비례하여 달라지는 값이며, 이는 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다. 기체가 용해된 상태에서 압력이 증가하면, 기체의 부분압도 상승하며 이를 상쇄하기 위해 더 많은 기체가 용매에 용해된다. 즉, 압력이 상승함에 따라 기체 용질의 용해도는 증가한다. 하지만 헨리의 법칙이 모든 기체-액체 계에서 적용되는 것은 아니며 일반적으로 묽은 용액, 특히 기체 용질과 용매가 화학적으로 반응하지 않는 경우에 대해 성립한다.Fig 5. 기체 용질에 대한 용해도와 압력, 온도의 관계③ 극성앞서 설명한 것처럼 일반적으로 극성 용질은 극성 용매에, 무극성 용질은 무극성 용매에 잘 용해되는 경향성이 있다. 예를 들어 소금은 극성 용질이기 때문에 극성 용매인 물에는 잘 녹지만 무극성 용매인 기름에는 거의 녹지 않는다. 이러한 현상은 극성에 의한 분자 간 인력을 통해 이해할 수 있다. 용해가 일어 결합을 끊어내지 못하며, 용해가 잘 일어나지 않게 된다. 결과적으로 용질과 용매의 극성 차이가 클수록 용해도는 낮아지며, 극성이 비슷할수록 용해도는 높아진다.Fig 6. 물에 대한 염화나트륨(소금)의 용해(3) 재결정(Recrystallization)재결정은 불순물로부터 원하는 물질을 분리해 순수한 상태의 물질만을 얻기 위한 방법이다. 재결정 환경에 따라 결정의 형태와 크기를 조절할 수 있으며, 온도에 따른 용해도 차이를 기본 원리로 하지만 특징에 따라 여러 방법으로 나눌 수 있다. 대표적으로 냉각 재결정화, 증발 재결정화, 반응 재결정화, 반용매 재결정화 등이 있다.불순물보다 큰 용해도를 가진 용질에 대한 일반적인 재결정 과정은 고온에서 용질을 용매에 용해한 후, 용액을 서서히 냉각시켜 원하는 물질을 결정화하는 것이다. 이때 불순물은 용액에 남고 순수한 용질만이 석출된다. 하지만 한 번의 재결정 과정만으로 완전히 순수한 물질을 얻는 것은 어려우며, 재결정을 여러번 반복함으로써 높은 순도의 물질을 얻을 수 있다. 재결정이 효과적으로 이루어지기 위한 조건과 주의사항에 대해 알아보자.● 재결정이 효과적으로 이루어지기 위한 조건① 온도에 따른 용해도 변화가 큰 물질일반적으로 온도 변화에 따른 용해도 차이가 클수록 냉각 재결정이 잘 일어난다.② 끓는점이 낮은 용매마지막 건조 단계에서 끓는점이 낮은 용매를 사용하면 결정을 빠르게 얻을 수 있다.③ 화학적 반응이 없는 물질용매와 용질이 불순물과 화학적으로 반응하지 않아야 효과적인 재결정이 가능하다.● 재결정 과정에서의 주의사항① 급격한 냉각의 지양결정을 급격하게 냉각할 경우 결정 성장 시간이 부족해 크기가 작거나 모양이 균일하지 않은 결정을 얻을 수 있다. 따라서 천천히 냉각함으로써 충분한 결정 성장 시간을 확보하고 크고 균일한 결정을 얻을 수 있다.② 물리적 충격의 최소화재결정 과정에서 물리적 충격이 가해지면 불순물이 결정에 섞이거나 과냉각 현상이 발생할 수 있다.Fig 7. 온도에 따른 용해도 차이를 이용한 재결정(재결정과 유사하지만, 불순물과 순수 물질의 분리에 집중하는 재결정과 달리 분별결정은 두 가지 이상의 용질을 분리하는 데 집중한다는 차이점이 있다.분별결정의 과정에서 중요한 점은 각 용질이 용매에 모두 용해될 수 있어야 하며, 용해도 차이가 클수록 효과적으로 분리할 수 있다는 것이다. 본 실험에서는NaC`l과H _{3} BO _{3}을 이용해 분별결정을 수행한다. 이 두 물질은 온도에 따른 용해도 변화의 차이가 크기 때문에 냉각 과정을 통해 용해도가 크게 감소하는H _{3} BO _{3}를 선택적으로 석출할 수 있다. 즉, 용액을 냉각함에 따라H _{3} BO _{3}는 먼저 결정화되며,NaC`l는 용액에 용해된 채로 남아있게 된다. 따라서 결론적으로H _{3} BO _{3}만을 분리할 수 있게 된다. 이러한 원리를 기반으로 용해도 곡선 정보를 알고 있는 다양한 용질들에 대한 분별결정 또한 가능하다.재결정과 마찬가지로 충분한 결정 성장 시간을 확보하기 위해 천천히 냉각하는 것이 중요하다.Fig 8. 분별결정(5) 수득률수득률은 특정 공정을 통해 실제로 얻은 물질의 양을 이론적으로 얻을 수 있는 양에 대한 비율로 나타낸 값이다. 이는 일반적으로 백분율로 표현되며, 모든 화학 반응이나 공정에서 100%에 도달하는 경우는 매우 드물다. 이러한 수득률은 실험의 결과를 평가하는 중요한 지표로서 다음의 식으로 계산할 수 있다.수득률[%]= {실제`얻은`양} over {이론상`얻을`수`있는`양} TIMES 100[%]본 실험에 대한 수득률은 초기에 용해된 용질의 질량에 대한 석출된 용질의 질량으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.y`=` {C _{f}} over {C _{o}} ` TIMES `100[%]y :수득률(%)C _{f} :최종 석출된 용질의 질량C _{o} :초기 용해된 용질의 질량실제 실험에서는 다양한 오차로 인해 이론적으로 계산된 값과 차이가 발생할 수 있으며, 이러한 오차는 부족한 반응시간, 부반응의 발생 여부, 측정의 오류 등 여러 원인으로부터 기인할 수 있다.

자연과학| 2025.03.08| 14페이지| 1,000원| 조회(97)

재결정, A+, 분별결정, 단위조작이론및실험2

미리보기

닫기
단증류_예비레포트 A+

예비레포트실험제목 :단증류조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적본 실험은 단증류 실험 장치의 조작법을 숙지하고 에탄올-물 혼합물을 이용한 이성분계 단증류 실험을 통해 회분 조작(batch operation)에서 단증류의 원리를 이해하는 것에 그 목적이 있다. 이를 통해 시간에 따른 유출액과 잔류액의 조성 변화를 측정하고, Rayleigh 식을 이용해 실험값과 이론값을 비교함으로써 실험의 정확도를 평가할 수 있다.2. 바탕 이론(1) 증류(Distillation)증류란 액체 혼합물에서 각 성분의 끓는점 차이를 이용해 성분을 분리하는 공정을 말한다. 화학적 변화를 수반하지 않는 물리적 변화를 통해 순수한 물질을 분리할 수 있으며 정유 및 석유 화학 산업에서 사용되는 주요 공정 중 하나이다. 증류는 혼합 액체의 액상 조성과 열을 가했을 때 생성된 증기의 조성은 다르다는 것을 기본 원리로 한다. 혼합 액체를 가열하면 휘발성이 큰 성분 즉, 끓는점이 낮은 성분이 먼저 기화하여 증기로 변하고, 휘발성이 작은 성분 즉, 끓는점이 높은 성분은 액체로 남아있게 된다. 가열 과정을 거쳐 얻은 증기를 다시 냉각하면 응축된 순수한 액체를 얻을 수 있으며 이를 통해 물질의 순도를 높이거나 혼합물을 분리할 수 있다. 이처럼 증류는 특정 성분을 증기 상태로 전환시키고 응축함으로써 용매와 용질을 보존하며 분리할 수 있다는 점에서 용질만을 남기기 위해 용매를 제거하는 증발과는 차이가 있다.증류는 장치와 방식의 특징에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있다. 먼저 단순 증류란 끓는점 차이가 큰 두 성분을 분리할 때 사용하는 방법이며, 본 실험에서는 에탄올-물 혼합물에 대해 단순 증류를 수행한다. 분별 증류란 끓는점 차이가 작은 다수의 성분을 분리하거나 원료 혼합물로부터 특정 성분만을 추출할 때 사용하는 방법이며, 증류의 반복을 통해 더 높은 순도의 물질을 얻을 수 있다. 감압 증류와 증기 증류는 끓는점이 매우 높은 성분에 대해 사용하는 방법이다. 먼저 감압 증류는 압력을 낮춤으로써 끓는점을 낮추는y BULLET dW`+(W-dW)(x-dx)이때 위 식의 우변을 전개했을 때 존재하는dW TIMES dx항은 미소 변화량을 나타내는 상대적으로 매우 작은 값이므로 무시할 수 있다. 따라서 위 식을 전개 후 정리하면 다음과 같다.Wx=dW BULLET y+Wx-Wdx-xdW#````#`````````0=dW(y-x)-WdxTHEREFORE ``` {dW} over {W} = {dx} over {y-x}증류기 내부의 초기 액체 혼합물의 질량 즉, 초기 잔류액의 질량을W _{1}, 증류 후 잔류액의 질량을W _{2}라고 할 때 위에서 유도한 미소 변화량 식을 적분하면 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 초기 잔류액의 조성은x _{1}, 증류 후 잔류액의 조성은x _{2}이다.int _{W _{2}} ^{W _{1}} {{dW} over {W}} `=`ln` {W _{1}} over {W _{2}} `=` int _{x _{2}} ^{x _{1}} {` {dx} over {y-x}}이를 Rayleigh Equation이라 하며, 유출률(beta )을 도입해 다른 형태로 나타낼 수 있다. 먼저 유출률은 초기 액체 혼합물의 질량에 대한 유출액의 질량으로 정의할 수 있다.beta `=` {유출액`질량} over {초기`액체`혼합물`질량} `=` {W _{1} `-`W _{2}} over {W _{1}}따라서 Rayleigh Equation을beta 에 대해 나타낸 식은 다음과 같다.ln {W _{1}} over {W _{2}} `=`ln {W _{1}} over {W _{1} -(W _{1} -W _{2} )} `=`ln {1} over {(1- beta )} `=` int _{x _{2}} ^{x _{1}} {{dx} over {y-x}}THEREFORE `ln {W _{1}} over {W _{2}} `=`ln {1} over {1- beta } `=` int _{x _{2}} ^{x _{1}} {{dx} over {y-x}}위 식을 적분하는 것은 매우 복잡하지만,r {W _{2}} `=`I _{1} `-`I _{2}→lnW _{2} `=`ln`W _{1} `-`I _{1} `+`I _{2}→W _{2} 계산 후 식에 대입ln {W _{1}} over {W _{2}} `=`I _{1} `-`I _{2}→`I _{2} `=`ln` {W _{2}} over {W _{1}} `+`I _{1} `→x`:`I 선도에서I _{2} `` -> ``x _{2}를 구하고 식에 대입(4) Raoult’s Law라울의 법칙(Raoult’s Law)이란 이상 액체 혼합물이 기·액 평형을 이룰 때 특정 온도에서 한 성분의 분압은 해당 성분의 몰분율과 증기압을 곱한 값과 같다는 법칙이다. 즉, 비휘발성의 비전해질 용질을 포함하는 용액이 순수한 용매보다 낮은 증기압을 갖는 현상은 용질이나 용매의 종류와는 무관하며, 오직 용질의 몰분율에만 영향을 받는다는 의미이다. 물-에탄올 혼합액을 사용하는 본 실험에 대해서는 이성분 계에 대한 라울의 법칙을 다음과 같이 나타낼 수 있다.P _{A} =P _{A}^{*} x _{A} `````````````P _{B} =P _{B}^{*} (1-x _{A} )P=P _{A} +P _{B} =P _{A}^{*} TIMES x _{A} +P _{B}^{*} TIMES x _{B} =P _{A}^{*} TIMES x _{A} +P _{B}^{*} TIMES (1-x _{A} )=P _{B}^{*} +x _{A} (P _{A}^{*} -P _{B}^{*} )P _{A} :성분 A의 부분압P _{A} ^{`*} :순수한 A의 증기압P _{B} :성분 B의 부분압P _{B} ^{`*} :순수한 B의 증기압x _{A} :용액 내 성분 A의 몰분율x _{B} :용액 내 성분 B의 몰분율라울의 법칙을 고려함에 있어 주의할 점은x _{A}가 1에 근사할수록 값의 정확도가 높다는 것이다. 이는 라울의 법칙이 이상용액에 대해 성립하기 때문이다. 용질과 용매 사이의 상호작용이 순수한 용매에서의 상호작용과 동일하다는 가정하에 존재하는 이정된다.혼합용액에서 각 물질의 휘발도를 서로 나누어 표현한 값을 비휘발도 또는 상대휘발도라고 한다. 만약 기·액 평형 상태에서 성분A의 휘발도를 성분B의 휘발도로 나누어 나타낸다면 이 값을 성분B에 대한 성분A의 비휘발도라고 표현하는 것이다. 이러한 비휘발도는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.alpha _{AB} = {K _{A}} over {K _{B}} = {P _{A} /x _{A}} over {P _{B} /x _{B}}일반적으로 단증류에서는 각 성분 간의 휘발도 차이가 클수록 분리가 용이하기 때문에 비휘발도가alpha >1이 되도록 설정한다. 이때alpha 가 1에 가까워질수록 혼합된 두 성분 간의 휘발도 차이가 작아지며 단증류를 통한 분리가 어려워진다.(7) 비휘발도에 대한 Raoult’s Law과 Dalton’s Law의 적용앞서 유도한 비휘발도는 라울의 법칙과 돌턴의 법칙을 통해 정리할 수 있으며, 그 과정은 다음과 같다. 먼저 비휘발도 식alpha _{AB} = {K _{A}} over {K _{B}} = {P _{A} /x _{A}} over {P _{B} /x _{B}}에 라울의 법칙을 적용하면 다음과 같다.alpha _{AB} `=` {{P _{A}} over {x _{A}}} over {{P _{B}} over {x _{B}}} `=` {{P _{A} ^{``*} x _{A}} over {x _{A}}} over {{P _{B} ^{``*} x _{B}} over {x _{B}}} `=` {P _{A} ^{``*}} over {P _{B} ^{``*}}이어서 돌턴의 법칙을 적용하면 다음과 같이 정리할 수 있다.alpha _{AB} `=` {{P _{A}} over {x _{A}}} over {{P _{B}} over {x _{B}}} `=` {{P` TIMES y _{A}} over {x _{A}}} over {{P` TIMES y _{B}} over {x _{B}}} `=` {x _{B}} over {x _{A}} ` TIMES {y _er {( alpha -1)(x-x ^{2} )}} dx`=` {1} over {( alpha -1)} int _{x _{2}} ^{x _{1}} {{1+( alpha -1)x} over {x(1-x)} dx}=` {1} over {( alpha -1)} int _{x _{2}} ^{x _{1}} {( {1} over {x} + {alpha } over {1-x} )dx} `=` {1} over {alpha -1} (ln {x _{1}} over {x _{2}} `+` alpha `ln {1-x _{1}} over {1-x _{2}} )THEREFORE `ln {W _{1}} over {W _{2}} `=ln {1} over {1- beta } `=` {1} over {alpha -1} (ln {x _{1}} over {x _{2}} `+` alpha `ln {1-x _{1}} over {1-x _{2}} )유출률beta 에 대한 위 식을 비휘발도alpha 에 대한 식으로 바꾸어 정리하면 다음과 같다.ln` {1} over {1- beta } `=` {1} over {alpha -1} (ln {x _{1}} over {x _{2}} `+` alpha `ln {1-x _{1}} over {1-x _{2}} )( alpha -1)`ln {1} over {1- beta } `=`ln {x _{1}} over {x _{2}} `+` alpha `ln {1-x _{1}} over {1-x _{2}}alpha (ln {1} over {1- beta } `-`ln {1-x _{1}} over {1-x _{2}} )`=`ln {x _{1}} over {x _{2}} `+`ln {1} over {1- beta }THEREFORE ` alpha `=` {ln {x _{1}} over {x _{2} (1- beta )}} over {ln {1-x _{1}} over {(1- beta )(1-x _{2} )}}따라서 각 성분의 몰분율(x _{1} ,`x _{2})과 유출률(beta) 시약

자연과학| 2025.03.08| 19페이지| 1,000원| 조회(124)

단증류, A+, 단위조작이론및실험2

미리보기

닫기
화학반응속도 결과레포트 A+

결과레포트실험제목 :화학반응속도조 :학 번 :이 름 :1. Abstract본 실험에서는 농도, 온도, 촉매 조건이 반응 속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 과산화수소의 분해 반응을 다루었다. 각 조건에서 실험을 3회 반복했으며, 반응물의 농도, 반응 온도, 촉매 유무와 양을 조작 변수로 설정하였다.실험 결과, 농도가 증가할수록, 온도가 높을수록, 촉매가 첨가될수록 반응속도는 빨라졌다. 하지만 불균일촉매의 특성상 촉매의 양보다는 유무가 더욱 큰 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었다. 농도 실험에서는 반응 차수와 반응 속도 상수를 계산해 반응 속도식을 도출하였고, 온도 실험에서는 아레니우스 법칙을 통해 활성화 에너지를 구하였다. 전반적으로 이론적 경향성과 일치하는 결과를 얻을 수 있었지만 활성화에너지, 반응 차수, 실험 결과의 선형성 등에서 오차가 발생하였고 이에 대한 고찰을 진행했다.가장 큰 오차의 원인으로는 산소 기체의 누출, 온도 유지의 어려움, 측정의 부정확성, 실험 표본의 부족 등이 있었다. 산소 기체의 누출을 막고, 실험 중 온도 변화를 최소화하며, 실험 데이터를 더욱 많이 얻을 수 있다면 보다 정확한 실험 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.실험 결과와 고찰에 대한 자세한 논의는 3. Result & Discussion에서 설명할 것이다.2. Experiment(1) 실험 기구① 비커② 메스 피펫시료 용액의 부피를 측정하는 데 사용된다.Fig 1. mess pipette③ 플라스크실험 중 시료 용액을 담기 위해 사용된다.④ 온도계시료 용액의 온도를 측정하기 위해 사용된다.⑤ 항온조시료 용액의 온도를 일정하게 유지하기 위해 사용된다.Fig 2. 항온조⑥ 스탠드(2) 시약① 아이오딘화칼륨(KI)- 형태 : 흰색 분말- 분자량 : 166.0g/mol- 녹는점 : 681CENTIGRADE - 끓는점 : 1323CENTIGRADE - 특징 : 과산화수소 분해 반응에 대한 정촉매로 작용한다.- 주의사항 : 안구에 자극, 흡입 시 독성, 산성으로 폐기Fig 3.실험을 반복한다.Table 2. 온도의 영향 실험 조건온도조건 (CENTIGRADE )0.1M``````KI(ml)증류수(ml)30%H _{2} O _{2}(ml)1상온101822상온 + 10101823상온 + 2010182③ 촉매의 영향Fig 12. (이산화망간)(1) 증류수 18mL,MnO _{2} 0.1g,H _{2} O _{2} 2mL, 0.1M-KI 10mL에 대해 산소 발생 실험을 위와 동일하게 진행한다. 0.5mL 단위로 산소의 발생 시간을 측정한다.(2) 촉매인MnO _{2}의 양을 0.1g 늘려 총 0.2g을 투입하고 실험을 반복한다. 0.5mL 단위로 산소의 발생 시간을 측정한다.(3) 촉매의 양을 제외한 나머지의 조건이 고정된 상태에서 Table 4.에 따라 실험을 반복한다.Table 3. 촉매의 영향 실험 조건MnO _{2} ````(g)0.1M``````KI(ml)증류수(ml)30%H _{2} O _{2}(ml)101018220.11018230.210182Fig 13. 실험 종료 및 정리3. Result & Discussion3-1. Result본 실험은H _{2} O _{2}와KI가 반응해 산소를 발생시키는 실험이다. 따라서 이를 분석하기 위해서는H _{2} O _{2}의 분해 반응에 대한 이해가 선행되어야 한다.H _{2} O _{2}의 분해 반응은 아래에 나타낸 두 단계의 반응을 순차적으로 거쳐 일어난다.(1)`:`H _{2} O _{2} (aq)`+`I ^{`-} (aq)` rarrow H _{2} O`(l)`+`IO ^{`-} (aq)`````:`느린`반응`(속도결정단계)##```````````(2)`:`H _{2} O _{2} (aq)`+`IO ^{-} (aq)` rarrow `H _{2} O(l)`+`O _{2} (g)`+`I ^{`-} (aq)`````:`빠른`반응##`````````````````````````````````````````````````````알짜`반응식`:`2H _{2} O _{2} (aq)` rarro다.Table 7. 각 온도 조건에서 [], []의 값 온도구분18CENTIGRADE 28CENTIGRADE 38CENTIGRADEV[L/mol]23.82724.65825.498n[mol/ml]4.197 TIMES 10 ^{-5}4.055 TIMES 10 ^{-5}3.922 TIMES 10 ^{-5}위 값을 통해 각 실험 항목별 결과값을 구할 수 있다.① 농도의 영향 ? 반응속도 식 도출Table 1의 실험 조건에서의 실험 결과는 다음과 같다.Table 8. 농도의 영향 실험 결과실험시약(ml)O _{2} 생성 부피(ml) 및 소요 시간(s)H _{2} O _{2}증류수부피0.511.522.533.541119시간28.3454.2582.06110.42137.78161.42198.26224.17221818.0734.1151.7667.0385.08105.66119.94132.21341610.3019.4328.1236.0343.9951.9359.7867.57Fig 14. 농도의 영향 실험 결과 그래프 (산소 부피 vs 소요 시간)위 그래프를 통해H _{2} O _{2}의 농도에 따른 산소 발생 속도의 경향성을 파악할 수 있다.H _{2} O _{2}의 농도가 가장 낮은 실험 1에서 동일한 양의 산소를 발생하기까지의 시간이 가장 오래 걸렸으며,H _{2} O _{2}의 농도가 가장 높은 실험 3에서 산소가 가장 빠르게 생성되었다. 이는H _{2} O _{2}의 농도가 높을수록 분해 반응의 반응속도가 빨라짐을 의미하는데,H _{2} O _{2}의 농도가 증가함에 따라 유효 충돌 횟수가 증가하기 때문이다. 즉, 반응속도는 반응물의 농도에 의존적인 값임을 알 수 있다.Table 8에 정리한 실험 결과를 통해 구간별 반응속도를 구하고 이에 대한 평균을 계산해 전체 구간에 대한 평균 반응속도를 계산할 수 있다. 일반적으로 반응속도는-r _{A} =- {1} over {V _{A}} {dN _{A}} over {dt} `(mol/L.s)으로 정의된다. 하지만 본 레포트에서는r _} O _{2}의 농도는30wt%이며, 몰질량은34.02g/mol, 비중은 1.4425, 반응물의 총부피는 30mL이므로 다음의 계산과정을 거쳐[H _{2} O _{2} ]를 구할 수 있다. 이때 n은 각 실험에서 사용된H _{2} O _{2}의 부피이다.{n`mlH _{2} O _{2} (30vol%)} over {30ml용액} TIMES {30mlH _{2} O _{2}} over {100mlH _{2} O _{2} (30%)} TIMES {1.4425gH _{2} O _{2}} over {1mlH _{2} O _{2}} TIMES {1molH _{2} O _{2}} over {34.02gH _{2} O _{2}}Table 10. 실험 조건에 따른 []H _{2} O _{2} 부피H _{2} O _{2} 제외 부피[H _{2} O _{2} ]`(mol/L)11 ml29 ml0.42422 ml28 ml0.84834 ml26 ml1.696Table 10의 값을k= {2r _{O _{2}}} over {[H _{2} O _{2} ] ^{0.8608}} ```에 대입해 결정한 반응속도상수와 그 평균값을 아래의 표로 정리했다.Table 11. 반응속도상수 실험구간 반응속도 평균[H _{2} O _{2} ]`(mol/L)kk _{A} (k`평균)17.604 TIMES 10 ^{-7}0.42403.18315 TIMES 10 ^{-6}3.12119 TIMES 10 ^{-6}21.300 TIMES 10 ^{-6}0.84802.99715 TIMES 10 ^{-6}32.508 TIMES 10 ^{-6}1.6963.18328 TIMES 10 ^{-6}본 실험의 결과로 도출된 반응속도상수k _{A}는3.12119 TIMES 10 ^{-6}이며, 반응차수n은 0.8608이므로 반응속도식을 다음과 같이 결정할 수 있다.r _{O _{2}} = {1} over {2} k _{A} [H _{2} O _{2} ] ^{n`} = {1} over {2} (3.12119 TIMES 10 ^{-해 활성화 에너지E _{a}를 결정할 수 있다.y=lnk,x= {1} over {T}에 대해 나타낸 각 온도 조건에 대한 반응속도 상수는 다음과 같다.Fig 16. plot위 그래프에서 추세선의 기울기로부터{-E _{a}} over {R} =-6694.3를 구할 수 있으며,R=8.314`J/mol.K을 대입해 활성화 에너지E _{a}를 다음과 같이 결정할 수 있다.E _{a} =6694.3/K TIMES 8.314J/mol BULLET K=55656.41`J/mol` APPROX 56kJ/molI ^{`-}가 존재하는 환경에서H _{2} O _{2} ` 분해 반응의 이론적인 활성화 에너지는 약E _{a} =56kJ/mol 이므로 실험 결과는 이론값에 근사하는 것을 확인할 수 있다.③ 촉매의 영향 ? 촉매의 양과 반응속도의 관계Table 3의 실험 조건에서의 실험 결과는 다음과 같다.Table 15. 온도의 영향 실험 결과실험MnO _{2}[g]O _{2} 생성 부피(ml) 및 소요 시간(s)부피0.511.522.533.541-시간18.0734.1151.7667.0385.08105.66119.94132.2120.13.106.148.4711.1613.2816.3919.0120.7530.22.444.336.598.3610.4812.3613.6515.38Fig 17. 촉매의 영향 실험 결과 그래프 (산소 부피 vs 소요 시간)첨가한MnO _{2}의 양이 증가함에 따라 반응속도가 급격하게 빨라지는 것을 확인할 수 있다. 하지만 실험 1과 실험 2, 3의 차이가 실험 2와 실험 3의 차이보다 큰 것으로 미루어 보아 반응속도는 촉매의 양보다는 촉매의 유무에 더 큰 영향을 받으며, 촉매의 양과 반응속도가 무조건적인 비례 관계를 갖지는 않는다는 것을 확인할 수 있다. 이는MnO _{2}의 특성에서 기인한다. 고체 촉매인MnO _{2}는 용액에 투입되어 촉매의 역할을 할 때 용해되지 않고 고체상으로 존재하는 불균일 촉매이다. 즉 흡착 -> 표면 반응 -> 탈착의 과정을 거치며,대된다.

공학/기술| 2025.03.08| 22페이지| 1,000원| 조회(110)

반응속도, A+, 단위조작이론및실험2

미리보기

닫기