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[물리화학실험 A+] 화학전지

1. 실험 목표Galvanic 전지와 농도 차 전지를 이용하여 화학전지의 원리를 이해한다. 농도 차 전지에서 구한 전위 값을 이용하여 Faraday 상수를 계산한다.2. 이론 및 배경1. 전기화학1전기화학은 electrical potential과 chemical potential이 합쳐진 영역에서, Redox 반응으로 인한 전자 이동을 다룬 화학이다. 물질마다 소유하는 고유한 전기화학적 성질에 근거하여 물질에 관한 정성, 정량적인 정보를 얻어낸다.전기화학에서 사용되는 용어이다.1. 전하[Q]: 전기화학의 기본 단위로, 물질의 전기적 잠재력을 결정하는 물리적인 양이다. 전자 한 개의 양을 전하량이라고 한다. 전하 1mol을 Faraday 상수라고 한다.2. 전류[i]: 두 물질들의 전하 흐름으로, 1초 동안 주어진 지점을 통해 1 C 전하가 이동하는 경우를 말한다. 또, 전기화학 반응의 속도의 표현이다.3. 전위: 전기적 위치에너지로, 물질이 소유하고 있는 전기적 잠재력이다. 전위의 크기는 전하 밀도에 따라 결정된다. 전위는 잠재적인 값으로 실제로 측정이 불가하다. 따라서 절대 전위들 사이의 차이를 구해 전압을 측정한다. 이를 전위차라고 하며, 표준전극전위를 기준으로 한다. 즉, 전압[E]은 전기장 내에서 어떤 전하를 이동시킬 때 필요한 에너지를 말한다. 전압은 다음과 같이 표현할 수 있다.전극 전위는 전자 에너지의 표현으로, 전극 내 전자에너지와 용액 내 전자에너지를 비교하여 전기화학 반응 가능 여부를 판단할 수 있다. 전극의 fermi level이 용액의 LUMO보다 높다면 전극에서 용액으로 전자가 이동한다. 즉, 환원된다. 반면, 전극의 fermi level이 용액의 HOMO보다 낮다면 용액에서 전극으로 전자가 이동한다. 즉, 산화된다.

자연과학| 2024.07.11| 12페이지| 3,000원| 조회(273)

전기화학, 갈바니 전지, redox reaction, 농도 차 전지, Nerns..

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[물리화학실험 A+] TiO2 광촉매에 의한 분자의 분해

1. 실험 목표물에 10ppm 정도로 오염된 malachite green 유해 유기물 염료가 콜로이드 TiO2 광촉매에 의해 분해되어 얼마나 감소될 것인지를 UV-vis spectroscopy로 확인한다.2. 이론 및 배경1. 광촉매 반응1화학 반응 중 전자기파(electromagnetic wave) 또는 빛에 의해 반응이 개시, 진행되는 것을 광화학 반응(photochemical reaction)이라 한다. 이러한 광화학 반응은 종류에 따라 다양하고 복잡한 반응 메커니즘을 갖지만, 반응의 종류와 무관하게 모든 광화학 반응이 갖는 공통적인 과정이며 가장 중요한 단계가 바로 태양을 비롯한 광원(light source)으로부터 복사 에너지(radiation energy)를 흡수하는 것이다.광촉매(photocatalyst)는 빛에너지를 흡수하여 광화학 반응을 개시하고, 촉매로서 광화학 반응을 촉진하는 화합물을 일컫는다. 대표적인 광촉매로 물을 광분해하여 수소 및 산소 기체를 얻기 위해 사용되는 TiO2가 있다.광촉매 반응의 조건은 다음과 같다.① 광학적으로 활성이 있으면서 광부식이 없어야 함② 생물학적으로나 화학적으로 비활성이어야 함③ 가시광선이나 자외선 영역의 빛을 이용할 수 있어야 함④ 경제적인 측면에서 저렴해야 함환경문제가 인류최대의 중점과제로 떠오르면서, 1980년대 후반에 들어와서는 미국과 일본을 비롯한 선진국을 중심으로 반도체 금속산화물을 광촉매로 이용하여 이들 유기물질을 환경 친화적으로 처리하고자 하는 움직임들이 활발히 일어나고 있다. 이러한 연구들 중에는 TiO2를 이용한 광촉매 분야가 최근 주목을 받고 있으며, 그 성능 또한 기존의 활성탄 흡착(Activated-Carbon Adsorption), 화학처리, Air Stripping, 오존분해및 소각 등의 환경처리 방법과 비교하여 환경 친화적이며 경제성 등 뛰어난 장점을 지니고 있어 현재 많은 연구가 진행 중이다.

자연과학| 2024.07.10| 14페이지| 3,000원| 조회(127)

흡광, TiO2, 광촉매 반응, UV VIS spectroscopy, Beer ..

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[물리화학실험 A+] 기체 상수의 결정

1. 실험 목표일정한 양의 산소와 이산화탄소를 발생시켜서 기체 상수의 값을 결정한다.2. 이론 및 배경이상기체이상기체는 구성 입자의 크기가 용기의 크기에 비교해 무기할 수 있을 정도로 작으며, 구성 입자들 사이에 작용하는 힘이 없다고 가정한 기체이다.표준온도압력에서 이상기체로 근사할 수 있다는 점에서 또한 유용한 개념이다. 분자량이 가벼운 질소, 산소, 수소, 불활성기체 등은 물론, 분자량이 어느 정도 높은 이산화탄소 정도까지도 적당한 조건에서는 이상기체로 근사할 수 있다. 일반적으로 실제 기체는 고온, 저압의 경우 이상기체에 가까워지는데, 이는 기체 입자들 간 상호작용에 비해 입자들의 운동에너지가 훨씬 커지고, 개별 입자의 크기에 비해 입자 사이가 점점 더 벌어지기 때문이다.반대로 이상기체 모델은 저온, 고압에서 실제 기체에 적용되지 않는다. 이 조건에서는 기체 입자 간 상호작용과 입자의 크기가 무시할 수 없는 크기가 되기 때문이다. 또한 분자량이 큰 기체 분자들과 입자 간에 상호작용이 큰 기체 분자들에 대해서도 잘 적용되지 않는다.이상기체는 (1)구성 입자의 크기가 용기의 크기에 비교해 무시할 수 있을 정도로 작으며 (혹은 부피가 0), (2)구성 입자들 사이에 작용하는 힘이 없다고 가정한 기체이다.이상 기체는 다음과 같은 기체 법칙을 만족한다.1) 보일 법칙: 온도와 몰 수가 일정할 때, 기체의 부피는 압력에 반비례한다.2) 샤를 법칙: 압력과 몰 수가 일정할 때, 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.3) 아보가드로 법칙: 온도와 압력이 일정할 때, 기체의 부피는 몰 수에 비례한다.4) 돌톤의 부분압력 법칙: 혼합 기체의 압력은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같다.

자연과학| 2024.07.10| 13페이지| 3,000원| 조회(85)

이상기체, 기체상수, 이상기체방정식, 실제기체

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[물리화학실험 A+] 증발, 물의 증기 압력

1.실험 목표Dalton의 부분 압력의 법칙과 Clausius Clapeyron 방정식을 이용하여, 물의 증기압력을 구한다.2.이론 및 배경1.상 변화1물질의 화학적 특성은 변하지 않고, 물리적 형태만 변화하는 과정이다. 어떤 한 상태 또 는 상으로 존재하는 물체는 다른 두 가지 상태 중 하나로 바뀔 수 있다. 다양한 상 변화에 대한 명명으로는, 1용융(고체→액체) 2응고(액체→고체) 3증발(액체→기체) 4응축(기체→액체) 5승화(고체→기체) 6증착(기체→고체)이 있다.모든 상 변화에는 자유 에너지 변화(ΔG)가 수반된다. ΔG=ΔH-TΔS로 엔탈피 부분 과 온도 의존성 엔트로피 부분으로 구성된다. 엔탈피는 액체나 고체를 붙잡고 있는 분자간 인력을 형성하고나 끊을 때 수반되는 열의 흐름이다. 엔트로피는 다양한 상에 존재하는 분자 의 무질서도 차이와 관련된다. 기체는 액체보다 무질서하고 엔트로피가 크다.용융, 승화, 증발은 모두 입자들의 운동성이 증가된 데 따른 무질서도 증가가 수반된다. 입자들을 서로 붙잡고 있는 분자간 힘을 극복하기 위하여 반드시 열이 흡수되어야 한다. 따 라서 이와 같은 상 변화에서는 ΔS와 ΔH는 모두 양의 값을 갖는다.반대로, 응고, 응축, 증착은 입자들의 운동성이 감소하여 무질서도의 감소가 수반된다. 분자간 인력이 형성되고, 이 과정에서 열에너지가 방출된다. 따라서 이와 같은 상 변화에 대 해 ΔS와 ΔH는 모두 음의 값을 갖는다.2.몰 열용량(molar heat capacity, Cm)2 몰 열용량은 물질 1mol의 온도를 1℃ 올리기 위하여 필요한 열량으로 정의된다. 비열 과 밀접한 관련이 있다. 비열은 온도 의존성이 있으므로 측정된 온도가 꼭 표시되어야 한다.1)액체 H2O의 가열 (0℃~100℃)Cm = 75.4J/(mol∙℃)2)액체 H2O의 증발 (100℃)ΔHvap = +40.67kJ/mol3)기체 H2O의 가열 (100℃~125℃)Cm = 33.6J/(mol∙℃)

자연과학| 2024.07.10| 12페이지| 3,000원| 조회(92)

증기압력, 이상기체 방정식, 몰 열용량, Clausius Clapeyron 식, Dolton의 부분 압력의 법칙

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[물리화학실험 A+] 계면활성제와 에멀젼

실험 목표 계면활성제의 콜로이드 형성과 서로 섞이지 않는 두 개의 액체를 균일하게 혼합시키는 에멀젼 형성의 원리를 이해한다. 이론 및 배경 계면활성제 1계면활성제는 서로 다른 성질의 물질이 만나는 표면 또는 계면에서 활성화된 물질이다. 즉, 계면활성제는 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 경계면에서 활동할 수 있는 분자를 말한 다. 물과 기름이 서로 섞이지 않는 이유는, 물은 극성의 성질을 가지고 기름은 비극성의 성질 을 가지기 때문이다. 극성 분자는 극성 분자끼리, 비극성 분자는 비극성 분자끼리 잘 섞이는 성질을 가지고 있다. 계면활성제는 기본적으로 한 분자 내에 극성인 부분과 비극성인 부분이 함께 존재하는 분자에서 나타나게 된다. 즉, 분자 안에 물을 좋아하는 부분인 친수성 (hydrophilic) 부분과 물을 싫어하는 소수성(hydrophobic) 부분을 동시에 갖는 분자들이 계 면활성제로 사용될 수 있다. 그림 1 계면활성제 예시 단순히 머리와 꼬리 부분이 상대적으로 다른 극성을 가지는 분자를 모두 계면활성제의 범주에서 생각할 수 있다. 이를 분류하는 기준으로는 머리 부분의 구조와 성질에 따라 나누 는 방법이 보편적으로 사용된다. 물과 상호 작용을 하는 머리 부분이 음이온을 가지고 있는 계면활성제는 음이온 계면활성제, 친수성 머리 부분이 양이온을 가지고 있는 계면활성제는 양이온 계면활성제로 구분하며, 그 외에도 양이온과 음이온을 동시에 머리 부분에 가지는 쯔 비터 이온(zwitter ion) 형태의 계면활성제, 극성을 가지지만 중성인 부분을 포함하는 중성 계면활성제 등으로 구별할 수 있다. 2친수성과 소수성이 적절한 조화를 이룬 경우, 계면활성제를 물에 넣으면 일부는 물-공 기 계면에 흡착되며 물의 표면 장력을 감소시키고 나머지는 대부분 물에 용해된다. 즉, 계면 1 https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5663113&cid=62802&categoryId=62802 2 표준 일반화학실험, 대한화학회, 2011, 298~도 마이셀을 형성하는 계면활성제의 최저 농도를 임계 마이셀 농도(critical micelle concentration, CMC)라고 한다. 8즉, CMC 이상이 되면 분자 또는 이온의 탄화수소부분과 접 촉하고 있던 물분자가 해방되어, 그로 인해 엔트로피가 증대하고 자유 에너지가 감소하기 때 문에 마이셀이 형성된다. 9 CMC를 경계로 하여 표면장력, 삼투압, 도전율 등 각종 물리화학적 성질이 급변한다. CMC는 계면 활성제의 구조에 따른 외에 온도, 공존 무기염의 종류, 농도 등에 의해 변화한 7 표준 일반화학실험, 대한화학회, 2011, 298~304쪽. 8 https://terms.naver.com/entry.naver?docId=605362&cid=50314&categoryId=50314 9 https://terms.naver.com/entry.naver?docId=608975&cid=50314&categoryId=50314 다. 에멀젼 (유화액) 10에멀젼은 섞이지 않는 서로 다른 두 액체에 의해 만들어지는데, 용매와 용질에 따라서 다른 종류의 에멀젼을 형성한다. 이때 용매의 역할을 하는 액체를 분산의 매개체, 연속상이라 하고 용질의 역할을 하는 액체를 분산상이라 한다. 에멀젼은 연속상과 분산상의 경계에서 빛의 산란이 일어나기 때문에 우리 눈에 뿌옇게 보이게 된다. 산란이 균일하게 일어나는 경우 흰색으로 보인다. 빛의 산란은 입자의 크기가 입사광의 파장의 1/4보다 클 때 일어난다. 가시광선 영역의 빛은 390 – 750 nm의 파장을 갖 기 때문에, 에멀젼의 방울 크기가 100 nm 이하인 경우 빛은 산란 없이 에멀젼을 통과한다. 마이크로 에멀젼은 분산상이 계면활성제나 보조제에 의해 가용성이 된 경우 나타난다. 11혼탁도를 통해 콜로이드 분산계 속의 분자와 입자의 성질을 연구할 수 있다. 여러 가지 물질에 관해서 혼탁도가 최대가 되는 입자 지름은 대체로 1~0.2μ의 범위에 있다. 레일리 산 란에서, 콜로이드 입자 이하의 영역 즉 입자 지름이 그림의-프로판올 에멀젼 10ml 실린더에 물 3ml와 톨루엔 1ml를 넣는다. 물과 유기층이 확실하게 구분되면, 각 층의 부피와 혼탁 정도를 기록한다. 실린더에 2-프로판올 1ml를 넣고 잘 흔들어주어 2분 정도 기다린 후, 물과 유기층 이 분리되면 각 층의 부피와 용액의 혼탁도를 기록한다. 만약, 층이 명확하게 구분되지 않으면 3분 정도 기다리고 관찰사항을 기록한다. 2-프로판올 0.5ml를 더 첨가한 후 다시 잘 혼합하고, 각 층의 부피와 혼탁도를 기 록한다. 전체 액체가 완전히 혼합되고 많은 용액이 될 때까지 과정 3을 반복한다. 그러나 첨가된 2-프로판올의 전체 부피가 6ml를 넘으면 실험을 중단한다. 주의사항 실험 A에서 실린더를 흔들 때, 기포가 생기지 않도록 위아래로 조심히 흔들며 섞는다. 두 용액층의 구분이 명확하지 않을 때는 충분한 시간을 기다린다. 그러나 5분 이상을 기다 려도 두 층이 분리되지 않으면 실험을 중단한다. 5wt% CTAB 용액은 10g의 CTAB를 물에 녹에 200ml로 만들면 된다. 시판되는 CTAB는 아주 순수하지 않으나, 이 실험을 위해서는 정제할 필요가 없다. 실험 결과 실험 A. CTAB-물-톨루엔-2-프로판올 에멀젼 혼탁도 맑음 ───────────────────────→ 혼탁 표시 ◐ ● ●◐ ●● ●●◐ ●●● 예시 표 1 실험 A에서 참고된 혼탁 정도의 기준. 첨가된 물 층 톨루엔 층 2-프로판올 양(ml) / 전체 양(ml) 부피(ml) 혼탁도 부피(ml) 혼탁도 0.0 / 4.0 3 ◐ 1 ◐ 0.1 / 4.1 3 ◐ 1.1 ●●● 0.1 / 4.2 3.08 ◐ 1.12 ●●● 0.1 / 4.3 3.2 ◐ 1.2 ●●◐ 0.2 / 4.5 3.8 ●● 0.8 ●●◐ 0.3 / 4.8 3.7 ●●◐ 1.1 ●●● 0.5 / 5.3 4 ●●● 1.1 ●●● 1.0 / 6.3 5 ●●◐ 1 ●● 0.5 / 6.8 4.6 ●● 1.8 ●◐ 0.5 / 7.3 6.6 ●◐ 0.4 ● 0.5 / 7.8 - ◐ - ◐ 표 2 실 2-propanol은 toluene 보다 물에 더 잘 용해됨을 알 수 있다. 본 실험을 통해 이를 확인할 수 있었다. 2-propanol을 4ml 첨가하였을 때, 물층의 부피가 증가한 것을 확인할 수 있다. 따라서 2-propanol은 물에 더 잘 용해됨을 알 수 있다. 물과 톨루엔이 부피비로 3:1일 때, 전체 용액이 마이크로에멀젼이 되는 2-프로판올의 부피는 전체 용액의 몇 %: 50~53% 물:toluene=3:1인 지점은 전체 부피 8.0~8.5ml이다. 마이크로에멀젼이 된 지점은 전체 부피 8.5ml로, 층 분리가 사라졌다. 따라서 전체 부피 8.0ml 이후부터 마이크로에 멀젼이 되었다고 간주한 후 계산을 하였다. 첨가한 2 − propanol 부피 전체 부피 × 100 다음 식으로 전체 부피 8.0ml, 8.5ml를 각각 계산해주면, 50%, 53%를 얻을 수 있다. 따 라서, 전체 용액이 마이크로에멀젼이 되는 2-propanol 부피는 전체 용액의 50~53%라 고 예측할 수 있다. 1과 2의 실험 결과를 비교할 때, CTAB가 물층에 대한 톨루엔의 용해도에 미치는 영향: 실험 1은 계면활성제인 CTAB를 첨가하여 에멀젼을 제조하는 실험이고, 실험 2는 계면활성제 없이 에멀젼을 제조하는 실험이다. CTAB는 양이온성 계면활성제로, 계면장력 으로 인해 계면에 더 많은 계면활성제를 흡착하여 장력을 낮춘다. 실험 1에서는 마이크 로에멀젼이 되는 2-propanol의 부피가 전체 부피의 약 45%이다. 실험 2에서는 마이크 로에멀젼이 되는 2-propanol의 부피가 전체 부피의 약 50~53%이다. 즉, CTAB가 톨루 엔이 물에 잘 용해되도록 도와준다는 것을 알 수 있다. 토의 및 고찰 본 실험은 계면활성제를 이용하여 에멀젼을 제조하는 실험 A와, 계면활성제 없이 에멀젼을 제조하는 실험 B를 진행하였다. 실험 A는 양이온성 계면활성제인 CTAB를 사용하여 화학적인 처리를 통해 에멀젼을 생산 하는 실험이다. 계면활성제의 계면장력으로 인해 계면활성제는 ,2-diol의 소수성 부분의 길 이가 길어질수록 CMC는 더욱 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 1,2-diol의 소수성 부분이 계면활성제의 마이셀의 팔리세이드층까지 가용화 되어 혼합마이셀을 만들고 친수성기인 -OH 기가 마이셀의 전기이중층에 놓이게 되어 마이셀 표면의 전하 밀도를 감소시킴으로써 혼합마이 셀을 안정화 시키기 때문이다. 따라서 1,2-diol과 같은 유기첨가제를 사용하여 CMC를 감소시 키면 마이셀을 제작하기 더 용이할 것이다. 또, CMC는 계면활성제의 용해도와 관계가 있으며, 일반적으로 수용성이 크면 CMC도 크게 된다. 알칼기만 다른 같은 종류의 계면활성제인 경우 CMC의 대수값과 알킬기의 탄소수 사이에는 직선관계를 이룬다. 이와 같은 점들을 이용하여 유 기첨가제를 선정하면 에멀젼 제조에 좋은 영향을 끼칠 것이다. 정리하자면, 실험 A는 계면활성제를 이용하여 에멀젼을 제작하는 실험이다. 계면활성제의 계면 장력으로 인해 마이셀이 형성되고, 에멀젼이 형성된다. 에멀젼은 불안정하므로 표면에너지 가 작아지는 방향으로 진행된다. 그 방법으로는 Ostwald ripening이 있다. Ostwald ripening으 로 인해 큰 입자의 에멀젼은 더 커지게 된다. 그 후, 열역학적으로 안정한 마이크로에멀젼이 생 성된다. 이때 계면활성제에서 마이셀이 만들어지기 위해서는 CMC 이상이 되어야 한다. 따라서 CMC를 감소시켜주기 위해 유기 첨가제를 사용한다. [16]에 따르면 노말-알코올은 계면활성제 의 CMC를 증가시킨다. 그러나 일가노말알코올은 CMC를 감소시킨다. 따라서 일가노말알코올 유기첨가제를 사용하면 수월하게 마이셀을 제작할 수 있을 거라 예측된다. 실험 B는 계면활성제 없이 에멀젼을 제작하는 실험이다. 본 실험에서는 2-propanol을 이 용하여 실험 A와 동일하게 진행하였다. 그러나 실험 A와 동일하게 진행하지 말고, 초음파 장 치 등을 이용하면 더 수월하게 기름과 물을 섞을 수 있다. 초음파를 이용하여, 기름을 아주 작 은 사이즈로 쪼개어

자연과학| 2024.07.10| 15페이지| 3,000원| 조회(307)

계면활성제, 콜로이드, 에멀젼, 마이셀, 임계 마이셀 농도

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