일반화학실험 결과 보고서 [실험2] 천연 염색 1. 이름: 이지민, 2020110892 (05분반) 2. 실험 날짜: 2020년 9월 18일 금요일 3. 실험 목적 식물에서 얻은 염료를 이용하여 염색을 하고, 염료의 화학적 특징을 알아본다.4. 실험 원리 1) 색 식물과 동물은 자신만의 독특한 색을 가지고 있으며, 암석은 그 종류에 따라 서로 다른 색으로 구별되기도 한다. 이들이 색을 가지고 있는 것은 색을 보여주는 물질을 가지고 있 기 때문인데, 예를 들어 마디풀과에 속한 한해살이풀인 쪽은 indigo라고 하는 분자를 가지 고 있어 짙은 남색을 띠고, anthraquinone을 가지고 있는 곤충이나 식물은 빨간색을 띤다.Indigo Anthraquinone색을 띠는 물질은 파장이 400~700 nm 영역에 있는 가시광선을 흡수한다. Indigo는 파장 605 nm 부근의 빛을 흡수하는데 물질 표면에서 반사된 나머지 가시광선을 우리 눈은 종 합적으로 남색으로 인식한다. 이와 같이 흡수하는 빛의 색과 우리가 느끼는 색은 서로 보 색 관계에 있다.
일반화학실험 결과 보고서[실험1] 비누-지방산의 염1. 이름:2. 실험 날짜:3. 실험 목적비누를 만들고 비누의 작용 원리와 특성을 이해한다.4. 실험 원리1) 지방산스테아르산과 같이 카복실산과 긴 탄화수소 사슬을 가지고 있는 유기 분자를 지방산(fatty acid)이라고 한다.지방산에는 스테아르산처럼 탄소 사슬의 C-C 결합이 단일 결합으로만 이루어진 포화 지방산과 올레산(oleic aicd)처럼 이중 결합을 포함한 불포화 지방산이 있다.2) 지방글리세롤(glycerol)과 지방산이 에스터화 반응(esterification)에 의해 축합되면 트라이글리세라이드(triglyceride)가 된다. 트라이글리세라이드에는 글리세롤 골격에 세 개의 지방산이 붙어 있는데, 세 개의 지방산이 모두 같은 종류인 경우도 있고, 모두 다른 경우도 있는 등 다양한 트라이글리세라이드가 알려져 있다.기름(oil): 불포화 지방산으로 이루어진 트라이글리세라이드로 상온에서 액체 상태로 있다.지방(fat): 포화 지방산을 포함하는 트라이글리세라이드로 상온에서 고체 상태로 있다.3) 비누 만들기비누는 지방산의 염(salt)이다. 비누는 지방이나 기름에서 얻은 트라이글리세라이드를 염기성 조건에서 가수분해(hydrolysis)하여 얻는다. 이 과정을 비누화 반응(saponification)이라고 하는데, 이는 에스터화 반응의 역반응이다. 이때 만들어진 지방산의 염은 물에 잘 녹는다.상업적으로 비누나 세제가 보급되기 전에 옛날 사람들은 기름때를 없애기 위해 경험적으로 가성소다(NaOH)나 탄산 소듐(Na2CO3)을 사용하기도 하는데, 이것은 바로 비누화 반응을 이용한 것이었다.4) 비누의 작용지방산의 염은 물에 녹으면 지방산 음이온과 금속 양이온으로 해리된다. 지방산 음이온의 머리 부분은 친수성이고 꼬리 부분은 소수성인데, 이와 같이 친수성 부분과 소수성 부분을 모두 가지고 있는 분자나 이온을 계면활성제(surfactant)라고 한다.계면활성제는 수용액에서 친수성 부분은 물과 닿고 소수성 부분은)시켜 만든 비누도 물에서 미셀을 만든다. 미셀은 옷이나 피부에 있는 기름을 미셀 내부의 소수성 공간에 가두고, 물과 함께 씻겨 내려간다.비누는 일반적으로 센물(Ca2+, Mg2+, Fe+ 등의 2가 양이온이 많이 녹아 있는 물)에서 사용하지 않는다. Ca2+, Mg2+, Fe+ 등의 염은 물에 작 녹지 않기 때문이다. 즉 비누를 센물에 풀면 지방산 이온이 이들 양이온과 만나 잘 녹지 않는 염(비누 찌꺼기, soap scum)을 만들기 때문이다.5. 시약 및 기구1) Reagent (시약)Chemical namePropertiesStructureSodium hydroxideMolecular formula: NaOHMolar mass: 40 g/molDensity: 2.1 g/cm3Melting point : 318 ℃Boiling Point : 1390 ℃Caution: 피부와 접촉하면 유해함Sodium chlorideMolecular formula: NaClMolar mass : 58.44 g/molDensity : 2.16 g/cm3Melting point : 801 ℃Boiling Point : 1413 ℃Caution: 장기간 또는 반복 노출되면 신체 중에 손상을 일으킬 수 있음EthanolMolecular formula: C2H6OMolar mass : 46.0684 g/molDensity : 0.79 g/cm3Melting point : -114.1 ℃Boiling Point : 78.5 ℃Caution: 눈에 심한 자극을 일으킴식용유2) Instrument & Apparatus (기구 및 초자)기구용량Filter paper-pH paper-Pipette filler & Pipette-Pasteur pipette & Bulb-Buchner funnel & gasketGlass rod-Tweezer-Schale-Graduated cylinder100 mLGraduated cylinder10 mLBeaker250 mLBeaker100 mLErlenmey의 온도를 낮춘다.250 mL beaker에 pipette을 사용하여 콩 식용유 8 mL, 6 M NaOH 4 mL를 넣은 후 유리막대를 이용해 저어주면서 변화를 관찰한다.위의 beaker에 ethanol 8 mL를 넣어준다.Hot plate로 가열하면서 gel화가 일어날 때까지 계속 저어준다.거품이 생기면서 gel 형태로 굳어지면 반응이 완결된 것이므로 hot plate를 끄고, beaker를 내려놓는다.정제 전 비누의 특성을 기록하고, 비누를 조금 떠서 손바닥 위에 놓고 문질러 감촉을 기록한다.실험B. 비누의 정제비누가 만들어진 beaker에 증류수 20 mL를 첨가하고, 약하게 가열하면서 비누를 녹인다.비누가 완전히 녹으면 hot plate를 끄고, beaker를 내려 놓아 5-10분 동안 식힌다.포화 NaCl 수용액 25 mL를 beaker에 붓고 잘 저어준다.용액을 감압 여과하고, 걸러진 비누를 schale 위에 옮긴 후, PH paper를 이용하여 여과지를 통과한 용액의 pH를 측정한다.수돗물로 손을 적시고, 콩알 크기의 비누를 손바닥 위에 놓고 문질러 감촉을 기록한다.pH paper로 손바닥에 있는 비눗물의 pH를 측정한다.감압 여과하는 방법Funnel과 여과지에 틈이 생겨 정제 전 비누 용액이 내려가지 않도록 증류수로 filter paper를 붙인다.Vacuum pump 또는 aspirator를 사용하여 증류수로 filtration 한다.한번에 부으면 넘칠 수 있으므로 여러 번으로 나눠서 천천히 여과지에 부어야 한다.8. 고찰실험A의 ②에서 용액이 두 층으로 분리되는 것을 관찰하였다. 그 이유를 설명하여라.식용유와 NaOH를 반응시키면 가수분해 반응에 의해 글리세롤과 지방산의 염이 생성된다. 이 지방산의 염은 식용유의 지방산이 나트륨 이온(Na+)과 결합하여 물과 친한 친수성을 띠는 부분과, 기름과 친한 소수성을 띠는 부분(-COONa를 제외한 탄화수소기)으로 이루어져 있다. 따라서 수용액에서 친수성 부분은 물과 닿고 소수성 부분은 물과 닿지 않산과 강염기인 NaOH가 반응하여 지방산의 나트륨염이 만들어지는데 이 반응식을 써보면 RCOOR' + NaOH -> RCOONa + R'OH 이 된다. 이 식에서 지방산의 염인 RCOONa가 비누가 되는 것이며, RCOONa는 물에 녹으면 RCOO-와 Na+로 해리된다. 이때 RCOO-는 H2O의 수소와 결합하여 RCOOH가 되고, 하이드록시기를 내놓기 때문에 비눗물이 염기성을 띤다.Ethanol을 사용하는 이유는 무엇인지 설명하여라.Ethanol이 지용성인 식용유와 수용성인 NaOH가 잘 섞이도록 도와주는 역할을 하기 때문이다개인 고찰 (오차원인)이번 실험은 식물성 기름을 이용하여 비누를 만들어 촉감 등의 특성을 알아보고, 비눗물의 pH를 측정하여 산성인지 염기성인지 알아보는 실험이었다. 지방이나 기름을 강염기와 반응시키면 카복실기가 떨어져 나오면서 지방산의 염과 함께 글리세롤이 생성된다. 이때 만들어진 지방산의 염이 비누이다. 비누 분자에서 긴 사슬 모양의 알킬기가 소수성을 나타내고, 카복실기가 친수성을 나타내기 때문에 계면활성제로 작용하게 된다.실험을 할 때 6M NaOH 수용액은 강한 염기성이므로 피부에 닿지 않도록 주의해야 한다. 만약 피부에 닿으면 많은 양의 흐르는 수돗물로 즉시 씻어 내고, 눈에 닿으면 흐르는 수돗물로 15분 이상 눈을 씻어주어야 한다.실험에서 발생할 수 있는 오차 원인으로는 실험 중에 넣어주는 용액의 양이 있을 것이며, 물중탕을 할 때 적정온도를 잘 유지시켜주어야 할 것이다. 비누화 반응이 완결되고 온전한 비누의 모양을 갖기 위해 오랜 시간 동안 적정 온도를 유지하고 적절한 양의 용액을 넣어주어 실험을 진행한다면 좀 더 완성적인 비누를 만들 수 있을 것이라고 생각한다. 또한 비누화를 진행하면서 저어줄 때 한쪽 방향으로만 저어야 하는데 그 이유는 한쪽방향으로 젓지 않으면 고체 형성을 더디게 만들기 때문이다.9. 참고문헌1) 이홍인. (2016). 일반화학실험 (제 1판 6쇄) 파주: 자유아카데미2) MSDS. 수산화 나트륨. 202sdsdetail.do3) MSDS. 염화 나트륨. 2020년 9월 13일 일요일 Hyperlink "http://msds.kosha.or.kr/kcic/msdsdetail.do" http://msds.kosha.or.kr/kcic/msdsdetail.do4) MSDS. 에탄올. 2020년 9월 13일 일요일 Hyperlink "http://msds.kosha.or.kr/kcic/msdsdetail.do" http://msds.kosha.or.kr/kcic/msdsdetail.do5) 위키백과. 수산화 나트륨. 2020년 9월 13일 일요일 Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%88%98%EC%82%B0%ED%99%94_%EB%82%98%ED%8A%B8%EB%A5%A8" https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%88%98%EC%82%B0%ED%99%94_%EB%82%98%ED%8A%B8%EB%A5%A86) 위키백과. 염화 나트륨. 2020년 9월 13일 일요일 Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%BC%ED%99%94_%EB%82%98%ED%8A%B8%EB%A5%A8" https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%BC%ED%99%94_%EB%82%98%ED%8A%B8%EB%A5%A87) NAVER 지식백과(화학백과). 에탄올. 2020년 9월 13일 일요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827419&cid=62802&categoryId=62802" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827419&cid=62802&categoryId=628028) NAVER 지식백과(화학백과). 비누화 반응. 2020년 9월 14일 월요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662806&cid
일반화학실험 결과 보고서[실험 4] 재결정과 거르기1. 이름:2. 실험 날짜:3. 실험 목적: 고체 생성물에 섞여있는 불순물을 분리하기 위한 방법으로 재결정 방법에 대해 알아보고, 이를 사용하여 생성물의 순도를 높이고 거르기 방법을 통해 분리한다.4. 실험 원리1) 결정성 고체원자, 분자, 이온 등이 특별한 모양으로 견고하고 넓은 규칙성을 가진 고체.규칙성이 있기 때문에 성질 파악이 용이하고, 일정한 온도와 압력 상의 변화가 가능하다.2) 정제, 재결정, 여과정제(purification): 어떤 물질로부터 혼재해 있는 불순물을 제거하여, 순도를 높이는 조작. 그 방법으로 용해도의 차이를 이용한 재결정이나 분별결정, 증기압에 근거한 증류나 분별증류 및 분배·흡착·이온교환 크로마토그래피, 전기영동법(electrophoresis), 젤(겔)여과법(gel filtration) 등 여러 종류의 방법이 사용된다.재결정(recrystallization): 화합물 정제(purification)를 위한 방법 중 하나로, 온도에 따른 용해도 차이가 큰 고체 물질을 높은 온도에서 녹여 포화 용액으로 만든 후, 서서히 냉각시키면서 순수한 고체를 얻는 과정을 말한다.여과(filtration): 고체와 액체의 혼합물을 거름종이 등의 여과재를 이용하여 거르는 작업으로, 거르기라고도 한다. 고체는 여과재 위나 표면에 남고 액체는 투과하여 고체와 액체가 분리된다.3) 용해도 차이를 이용한 재결정고체 물질의 내부에는 대부분 미량의 불순물이 섞여 있으므로 이를 제거하기 위해 고체를 완전히 녹였다가 다시 온도를 천천히 내리면서 재결정을 진행한다.주어진 온도에서 어떤 물질이 더 이상 녹지 않을 때까지 녹인 용액을 포화용액이라 하며, 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 양을 용해도라고 한다.대부분의 경우, 화합물이 용매에 녹는 용해 과정은 흡열 과정이므로 온도가 높아질수록 용해도가 커진다. (반대의 경우도 존재; 예를 들어 아세트산 나트륨을 물에 녹이는 경우 열이 발생하는 발열 과정이므로 아세트산 나트륨의 용해도는 온도가 높을수록 작아진다.)따라서 불순물이 포함된 고체 물질은 뜨거운 용매에 녹인 상태에서 포화시킨 후 온도를 식히게 되면 용해도가 줄어들기 때문에 용해도 이상으로 녹아있던 용질은 침전물로 떨어지게 된다.이 때 정제하고자 하는 물질이 충분히 포함되어있고 불순물의 양이 적을 경우, 만들어지는 침전물은 불순물을 포함하지 않는 순수한 물질로 침전된다.4) 재결정에 사용하기 좋은 이상적인 용매 조건재결정은 용해도의 차이를 이용하므로 이를 조절하기 위한 가장 좋은 방법은 온도 조절이다. 따라서, 재결정에 사용하기 좋은 용매는 온도에 따른 용해도 차이가 큰 경우이다.5. 시약 및 기구1) Reagent(시약)Chemical namePropertiesStructureBenzoic acidMolecular formula: C7H6O2Molar mass: 122.13 g/molDensity: 1.2659 g/cm3(고체 상태)Melting point : 122.41℃Boiling Point : 250℃WaterMolecular formula: H2OMolar mass : 18.01528 g/molDensity : 1 g/cm3 (4℃)Melting point : 0℃Boiling Point : 100℃Ice2) Instrument & Apparatus (기구 및 초자)기구용량chemical balance-filter paper-weighing paper-hood-funnel-clamp-clamp holder-water bath-foil-graduated cylinder10mLErlenmeyer flask50mLErlenmeyer flask100mLthermometer-agitator-magnetic bar-6. 실험방법Hood에 재결정을 위한 장치를 설치한다.50mL Erlenmeyer flask에 10mL graduated cylinder를 사용해 증류수 5mL를 넣는다.저울을 사용하여 benzoic acid 약 0.3g을 칭량하여 넣고, distilled water 5mL를 추가로 넣는다.Foil로 Erlenmeyer flask의 뚜껑을 만들어 씌운다.삼각플라스크를 clamp로 고정한 후, water bath로 benzoic acid가 완전히 녹을 때까지 가열 및 교반한다. (benzoic acid가 잘 녹지 않으면 증류수를 1mL씩 3mL를 넘지 않게 추가한다.)Benzoic acid가 모두 녹으면 Erlenmeyer flask를 분리한 후 실온에서 식힌다. (이 때, Erlenmeyer flask를 건드리지 않도록 주의한다.)Filter paper 1장의 무게를 칭량하고, 접어서 준비한다.결정이 생기면 결정 모양을 관찰한다.Filter paper와 funnel을 이용하여 여과하고, 차가운 증류수를 사용하여 2~3회 씻어낸다.여과된 침전물을 건조하여 무게를 측정한 후, 수득률을 계산한다.7. 결과넣어준 benzoic acid의 양(g): 0.2990g넣어준 용매의 총량(mL): 10.0mLBenzoic acid가 완전히 녹았을 때의 온도(℃): 86.5℃결정이 다 생성되었을 때의 온도(℃): 40.0℃결정의 모양: needle 형태Filter paper의 무게(g): 0.3313gFilter paper + 결정의 무게(g): 0.5431g생성된 결정의 양(g): 0.2118g수득률(%): 70.84 %8. 고찰Filter paper를 여러 번 접는 이유는 무엇인지 생각해 보시오.Filter paper를 여러 번 접으면 주름이 많이 생겨 용액이 통과할 수 있는 면적이 넓어진다. 따라서 filter paper를 여러 번 접었을 때 용액이 통과하는 속도가 적게 접었을 때보다 빠를 것이다.Filtration 시 왜 소량의 차가운 증류수를 사용하는지 생각해 보시오.결정화를 마치면 용액은 걸러내고 재결정한 고체 시료를 얻는데, 이 때 혹시 묻어있을 불순물을 씻어내려 오차를 최소화하고 좀 더 높은 순도의 시료를 얻기 위해 소량의 차가운 증류수를 사용한다.고체 시료가 완전히 녹지 않을 경우, 용매를 조금씩 첨가해야 하는 이유는 무엇인지 생각해 보시오.처음부터 용매를 많이 넣으면 용해도를 낮추는 것이 힘들어 고체 결정이 잘 석출되지 않는다.나의 실험에 관한 discussion 및 오차의 이유(수득률이 낮은 이유)Benzoic acid의 재결정과 거르기 실험을 통해 고체 생성물에 섞여있는 불순물을 제거하는 방법에 대해 알 수 있었다. 수득률은 70.84 % 정도로 나왔는데 이렇게 수득률이 낮게 나오게 된 오차의 이유를 생각해보고자 한다.먼저 전자저울의 종류마다 오차범위가 다르게 설정되어 있기 때문에 실험기기의 정밀도(정확도)를 오차의 원인으로 들 수 있다. 또한 고체 시료를 녹이는 과정과 녹인 시료를 식히면서 결정화하는 과정에서 오차가 발생하였을 것으로 예상한다. 완전히 녹지 않은 고체 상태의 benzoic acid를 다 녹이기 위해 오랫동안 가열하면서 증류수가 증발해서 오차가 발생할 수 있다. 이 녹인 시료를 식힐 때 천천히 식히면서 결정화시키는 것이 중요한데, 너무 급하게 식혀서 미세결정이 생기거나 원하지 않는 불순물이 함께 침전되어서 오차가 발생했을 수도 있다다음에 실험을 할 때에는 저울로 시료의 질량을 잴 때부터 시료를 가열하고 재결정, 여과를 끝낼 때까지의 모든 과정에서 보다 주의 깊게 실험을 수행해서 위와 같은 이유로 생긴 오차를 줄여 수득률을 최대한으로 높일 것을 기대해본다.9. 참고문헌1) 일반화학실험Ⅰ 유인물_ 재결정과 거르기 이론2) NAVER 지식백과(두산 백과). 벤조산. 2020년 4월 19일 일요일. Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1101619&cid=40942&categoryId=32280" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1101619&cid=40942&categoryId=322803) NAVER 지식백과(화학 백과). 재결정. 2020년 4월 19일 일요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827417&cid=62802&categoryId=62802" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827417&cid=62802&categoryId=628024) NAVER 지식백과(과학 용어 사전). 여과. 2020년 4월 19일 일요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1390258&cid=42566&categoryId=42566" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1390258&cid=42566&categoryId=425665) NAVER 지식백과(영양학사전, 1998. 3. 15., 채범석, 김을상). 정제. 2020년 4월 19일 일요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1619535&cid=50314&categoryId=50314" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1619535&cid=50314&categoryId=50314
일반화학실험 결과 보고서[실험5] 용해열1. 이름:2. 실험 날짜:3. 실험 목적염화 칼슘과 질산 암모늄이 물에 녹는 과정에서 발생하는 열(용해열)을 측정하고 용해열의 발생 원리를 이해한다.4. 실험 원리1) 용액의 형성용질(solute)이 용매(solvent)에 녹아 있는 상태를 용액(solution)이라고 한다. 용액이 형성되는 과정을 열역학적으로 고찰하기 위해서는, 용액의 형성 과정을 다음과 같이 세 단계로 나누어 생각한다. 첫 단계로 자기들끼리 뭉쳐 있는 용질 분자는 확장되어 개별 분자로 분리되어야 한다. 두 번째로 자기들끼리 뭉쳐 있는 용매 분자는 확장되어 용질 분자가 들어갈 공간을 만들고 마지막으로 용질 분자와 용매 분자는 상호 인력에 의하여 섞여 용액을 형성한다. 용액 형성의 각 단계에서 에너지(열)의 출입이 있게 되는데, 천 단계와 두 번째 단계에서는 자기들끼리 뭉쳐 있는 것을 분리하기 위하여 열을 가해 주어야 하고, 마지막 단계에서는 용질 분자와 용매 분자 사이에 잡아당기는 힘이 작용하므로 열을 내어 놓게 된다. 각 단계에서 출입하는 열을 1, 2, 3 라고 하면 전체적으로 용질이 용매에 녹아 용액을 형성하는 과정에서 1 + 2, + 3만큼의 열이 출입한다. 이를 용해열(heat of solution) 또는 용해 엔탈피(enthalpy of solution)라고 한다. 용해열은 1, 2, 3 사이의 상대적인 크기에 따라 양(흡열 반응) 또는 음(발열 반응)이 될 수 있다.이번 실험에서는 염화 칼슘(CaCl2)이 물에 녹는 과정에서 발생하는 열을 측정한다.용해 =용해 = 26.7위에서 보듯이 염화 칼슘이 녹는 과정에서는 열이 발생하고 질산 암모늄을 녹이기 위해서는 열을 가해야 한다. 이는 이온과 이온이 가까이에서 규칙적으로 배열되어 있는 고체 상태보다 개개의 이온을 극성 분자인 물이 둘러싸고 있는 상태가 더 안정하다는 의미인 반면에 질산 암모늄은 고체 상태보다 이온과 이온을 물이 둘러싸고 있는 상태가 에너지적으로 더 높은 상태에 있다는 의미이다.질산 암모늄은 물에 녹지 않을 것으로 예상되지만 녹는 과정에서 무질서도인 엔트로피(entropy)가 크게 증가하기 때문에 질산 암모늄도 물에 녹는다.2) 열량계열량계는 열의 흐름을 측정하는 장치이다. 그림 7-3은 단열재인 스티로폼 컵 두 개를 이용해서 만든 간단한 열량계로서 열량계 뚜껑에 구멍이 있기 때문에 압력은 항상 대기압으로 유지된다. 열량계 안에 물을 넣고 어떤 반응을 시켰을 때 열이 발생하였을 경우에는 물의 온도가 올라가고 열이 흡수되었을 경우에는 물의 온도가 내려가는 것을 관찰하여 열의 흐름을 정량적으로 알 수 있다. 물의 질량을 m, 반응 전후의 온도차를 , 물의 비열을 c 라고 하면 발생되거나 흡수된 열 Q는 다음과 같이 주어진다.어떤 물질의 온도를 1 ℃ 올리는 데 필요한 열량을 열용량(heat capacity)이라고 한다. 비열(specific heat capacity)은 어떤 물질 1 g의 온도를 1 ℃ 올리는 데 필요한 열량으로 단위는 J/g∙℃ 또는 J/g∙K이다. 몰열용량(molar heat capacity)은 어떤 물질 1 mol의 온도를 1 ℃ 올리는 데 필요한 열량으로 단위는 J/mol∙℃ 또는 J/mol∙K이다.그림 7-3. 스티로폼 컵을 이용한 간단한 열량계3) 격자 에너지(격자 엔탈피), 수화열(수화 엔탈피)격자 에너지(격자 엔탈피): 결정성 이온 결합 화합물 1 mol을 구성 성분의 기체 상태 이온으로 만들 때 필요한 에너지. 격자 에너지값이 클수록 결정을 형성하고 있는 이온을 분리하기가 어렵기에 안정하다. 격자 에너지는 매우 크기에 높은 온도로 가열하여도 각 성분의 기체 상태 이온으로 분해되지 않는다. 격자 에너지와는 달리 격자 엔탈피는 기체 상태 이온으로부터 결정이 만들어지는 반응의 엔탈피 변화량으로 정의된다. 따라서 격자 엔탈피와 격자 에너지는 절댓값은 같지만, 부호가 반대이다. 하지만 두 양을 구분하지 않고 모두 격자 에너지라고 부르기도 한다.수화열(수화 엔탈피): 1 mol의 이온 또는 분자가 수화될 때 흡수 또으로는 흡열량으로 나타낸다. 어떤 물질이 물을 흡수할 때 에너지의 변화를 가져오는 것이다.5. 시약 및 기구1) Reagent (시약)Chemical namePropertiesStructureCalcium chlorideMolecular formula: CaCl2Molar mass: 111.0 g/molDensity: 2.150 g/cm3Melting point : 772 ℃Boiling Point : 1935 ℃Distilled waterMolecular formula: H2OMolar mass : 18.01528 g/molDensity : 1 g/cm3 (4℃)Melting point : 0 ℃Boiling Point : 100 ℃2) Instrument & Apparatus (기구 및 초자)기구용량Top loading balance-Weighing dish-Graduated cylinder100 mLthermometer-스티로폼 컵200 mL스티로폼 컵 뚜껑철사로 만든 젓개6. 실험방법단열재로 만들어진 열량계를 준비한다. 열량계 뚜껑의 고무에 온도계를 꽂고, 온도계가 열량계의 바닥에서 1 cm 정도 떨어진 곳에 위치하도록 고정한다.(온도계를 열량계의 뚜껑에 꽂을 때, 고무와 온도계에 물을 묻혀준 뒤 조심스럽게 넣는다.)Top loading balance로 빈 열량계의 질량을 측정한다.Graduated cylinder를 이용하여 증류수 100 mL를 측정한다.열량계에 100 mL 증류수를 넣은 후 초기 온도를 정확하게 읽고, top loading balance로 전체의 무게를 측정한다.Weighing dish에 CaCl2 20 g을 칭량하여 열량계 속에 넣은 후 바로 뚜껑을 닫고 젓개로 저어주면서 온도가 최고로 올라갈 때까지 30초마다 온도 변화를 기록한다.(넣는 순간부터 온도가 빠르게 올라가므로 뚜껑을 빨리 덮어야 한다.)*실험 주의 사항:염화 칼슘이 피부에 닿으면 열을 발생시키므로 주의해서 다루고, 염화 칼슘이 묻었을 경우에는 물로 씻어낸다.사용한 시약서 처리한다.7. 결과빈 열량계 + 온도계의 질량: 211.058 g100mL 증류수 + 열량계 + 온도계의 질량: 308.042 g넣어준 calcium chloride의 질량: 20.0221 g반응 시간에 따른 온도 변화시간(초)0306090150180온도(℃)20.837.744.548.751.253.3초기 온도: 20.8 ℃최고 온도: 53.3 ℃온도차: 53.3 – 20.8 = 32.5 ℃물의 비열: 4.18 J/g∙℃발생한 열량: 13.6 kJ염화 칼슘의 몰질량: 111.0 g/mol염화 칼슘의 몰용해열: - 13.6 kJ x (111.0 g/mol)/ (20.0221 g) = - 75.4 kJ/mol8. 고찰Calcium chloride의 용해열의 부호를 생각해 보시오.실험 결과에서 반응 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 표를 통해, calcium chloride를 물에 녹였을 때 시간이 지남에 따라 물의 온도가 상승하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 이는 발열반응임을 의미하며, 발열이 일어나는 것은 그 양만큼 내부 에너지가 감소하는 것이기 때문에 반응열을 음(-)의 값으로 나타낸다. 따라서 calcium chloride의 용해열의 부호는 음(-)이다.Calcium chloride가 물에 녹는 과정에서 엔트로피가 증가하는 이유에 대하여 설명하시오.Calcium chloride가 이온 결정 상태에서는 이온들이 규칙적으로 배열되어 있어 엔트로피가 작지만, 물에 녹는 과정에서 Cl-와 Ca2+로 이온화가 되면 용매 전체로 이온들이 퍼지면서 무질서도가 증가하므로 엔트로피가 증가하게 된다.나의 실험에 관한 discussion과 오차의 이유 (실험에서 구한 염화 칼슘의 용해열과 실제 용해열이 같지 않은 이유)이번 실험에서는 열량계를 사용해 염화 칼슘이 물에 녹는 과정에서 발생하는 열에 의한 온도 변화와 물의 비열을 이용하여 염화 칼슘의 용해열을 직접 측정해보았다. 실험에서 염화 칼슘을 이용한 이유는 염화 칼슘의 물에 대한 용해도가 크기(염화 칼슘이 물에 잘 용해되 칼슘의 몰용해열은 -82.93 kJ인데, 나의 계산 결과는 – 75.4 kJ이 나왔다. 이렇게 오차가 발생하게 된 이유 중 하나는 염화 칼슘을 칭량하는 과정에 있을 것이다. 실험 중 chemical balance로 염화 칼슘 20 g을 칭량할 때 염화 칼슘은 조해성이 크기 때문에 빠르게 칭량해야 하는데, 이 과정에서 염화 칼슘이 대기 중의 수분을 흡수하여 오차가 발생하였을 가능성이 있다. 또한 열량계에 염화 칼슘을 넣는 순간 온도가 빠르게 올라가기 때문에 칭량한 염화 칼슘을 열량계에 넣고 바로 뚜껑을 닫아줘야 하는데, 뚜껑을 최대한 빠르게 닫았다고 해도 어느 정도의 열 손실이 발생하였을 것이다.9. 참고문헌1) 이홍인. (2016). 일반화학실험 (제 1판 6쇄) 파주: 자유아카데미. (P. 95~1022) NAVER 지식백과(화학백과). 격자 에너지. 2020년 6월 14일 일요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827548&cid=62802&categoryId=62802" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827548&cid=62802&categoryId=628023) NAVER 지식백과(두산백과). 수화열. 2020년 6월 14일 일요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1116038&cid=40942&categoryId=32252" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1116038&cid=40942&categoryId=322524) NAVAER 지식백과(두산백과). 염화칼슘. 2020년 6월 14일 일요일. Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1127042&cid=40942&categoryId=32260" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1127042&cid=40942260
일반화학실험 결과 보고서[실험 4] 기체의 몰질량1. 이름:2. 실험 날짜:3. 실험 목적이상 기체 상태 방정식을 응용하여 기체 분자의 몰질량을 측정한다.4. 실험 원리1) 몰질량몰질량(molar mass): 어떤 물질 1 mol의 질량을 일컫는다. 원자의 몰질량은 주기율표에서 알 수 있다. 이때의 몰질량은 동위원소의 자연 존재비를 고려한 원자의 평균 몰질량이다.어떤 분자의 몰질량은 그 분자 1 mol의 질량이다. 분자의 몰질량은 분자를 조성하는 원들의 몰질량의 합이다. 따라서 물(H2O)의 몰질량은수소의 몰질량 X 2 +산소의 몰질량= 1.008 g/mol X 2 + 15.999 g/mol = 18.015 g/mol이다.2) 이상기체, 이상 기체 방정식이상기체(ideal gas): 무질서하게 운동하는 원자 혹은 분자로 이루어진 가상의 기체를 말한다. 이 상기체는 구성 입자의 크기가 용기의 크기에 비교해 무시할 수 있을 정도로 작으며 (혹은 부피가 0), 구성 입자들 사이에 작용하는 힘이 없다고 가정한 기체이다. 이와 같은 조건을 만족하는 기체는 실제로 존재하지 않지만, 온도가 높고 압력이 낮아지면 많은 기체는 이상 기체의 특성을 나타낸다.물질의 상태를 정의하기 위해서는 4개의 변수인 온도(T), 압력(P), 부피(V), 양(몰 수, n)가 필요하다. 이들 사이의 관계를 나타내는 식을 상태 방정식(equation of state)이라고 한다. 이상 기체 상태 방정식(equation of state of ideal gas)은 물질의 상태 방정식의 하나이다.이상기체는 보일법칙, 샤를법칙, 아보가드로 법칙을 만족한다. 이 법칙들을 합하면 다음과 같은 관계가 얻어진다.여기서 비례 상수 R을 사용하면 라는 이상 기체 상태 방정식을 구할 수 있다.기체상수, R: 이상기체 1몰의 상태 방정식은 PV=nRT로 표시되는데, 이때의 R값을 말한다. 이는 자연과학 및 공학에서 광범위하게 사용되는 상수이며, SI 단위로 나타낸 기체 상수는 다음과 같다.3) 기체의 몰질량 측정대부분에 있는 기체의 질량을 구한다. 이때 기체의 압력은 대기압과 같게 하고 온도를 측정한 후 를 이용하여 기체 분자의 몰질량을 구한다.4) 기화, 응축기화(vaporization): 액체가 열에너지를 흡수하여 기체로 변하는 현상. 고체, 액체, 기체로 진행됨에 따라 분자의 운동은 더욱 활발해지는데 이러한 활발한 운동은 보통 열에너지의 흡수 때문이며, 특히 액체에서 기체로 변화가 일어날 때 주위로부터 흡수한 열은 기화열 또는 증발열이라 한다. 기화에는 두 가지 현상이 있는데 증발(evaporation)과 끓음(boiling)이다. 빨래가 마르는 것과 같이 액체가 표면에서 기체로 변하는 현상을 증발이라 하고, 액체의 표면뿐만 아니라 내부에서도 기체로 변하는 현상이 일어나는 것을 끓음이라 한다. 증발과 끓음은 모두 주위로부터 열을 빼앗는다.응축(condensation): 기체가 액체로 변화하는 현상으로, 응결이라고도 한다. 압력이 일정한 상태에서 기체를 이슬점 이하로 냉각하거나 온도가 일정할 때 그 물질의 포화 증기압 이상으로 압력을 가할 때 일어난다. 응축이 일어나는 온도를 그 기체의 응축점이라 하며, 응축이 일어날 때는 열을 방출한다.5. 시약 및 기구1) Reagent (시약)Chemical namePropertiesStructureAcetoneMolecular formula: C3H6OMolar mass: 58.08 g/molDensity: 0.792 g/cm3Melting point : -94.6 ℃Boiling Point : 56.5 ℃EthanolMolecular formula: C2H6OMolar mass : 46.07 g/molDensity : 0.789 g/cm3Melting point : -114.1 ℃Boiling Point : 78.32 ℃HexaneMolecular formula: C6H14Molar mass: 86.18 g/molDensity: 0.6606 g/cm3Melting point : -96~-94 ℃Boiling Point : 68늄 호일로 뚜껑을 만들어 씌우고 가는 바늘이나 샤프 촉을 이용하여 작은 구멍을 뚫는다.뚜껑을 덮은 둥근 바닥 플라스크의 질량을 측정한다.플라스크에 약 5 mL의 액체 시료(시료 A, B, C 중 택 1)를 넣고 뚜껑으로 다시 막는다.끓는 물을 반쯤 채운 500 mL 비커에 둥근 바닥 플라스크가 바닥에 닿지 않을 정도로 깊이 넣고 스탠드로 고정한다.물을 가열하면서 끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고 플라스크 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다. 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 산란 때문에 기체가 새어 나오는 것을 관찰할 수 있다. (손전등을 사용하면 더 잘 보인다.)플라스크의 액체가 모두 기화되면 잠시 기다린 후에 플라스크를 끓는 물에서 꺼내어 식힌다. 잠시 후 플라스크 속에 남아 있던 기체가 다시 응축되어 플라스크 속에 액체가 형성되는 것을 볼 수 있다. (플라스크는 뜨거우므로 주의한다.)플라스크 바깥에 묻은 물을 완전히 닦아 말리고 뚜껑을 덮은 플라스크의 질량을 측정한다.플라스크를 깨끗하게 씻은 후 증류수를 가득 채우고, 눈금 실린더를 사용해서 증류수의 부피를 측정하여 플라스크의 부피를 안다.*실험 주의 사항:증발된 기체를 흡입하지 않도록 한다.뜨거운 플라스크 등에 화상을 입지 않도록 주의한다.7. 결과둥근 바닥 플라스크+호일 뚜껑+고무줄의 질량: 45.8239 g둥근 바닥 플라스크에 넣어준 액체 시료의 양: 3.00 mLWater bath의 물 온도: 80.8 ℃ = 80.8 + 273.15 = 354.0 K대기압: 752 mmHg = (752 mmHg)/(760 mmHg/atm) = 0.989 atm냉각시킨 둥근 바닥 플라스크+호일 뚜껑+고무줄의 질량: 46.1997 g눈금 실린더로 잰 둥근 바닥 플라스크의 부피: 126.9 mL = 0.1269 L액화된 시료의 질량: 46.1997 g – 45.8239 g = 0.3758 g8. 고찰실험에서 구한 액체 시료의 몰질량과 실제 액체 시료의 몰질량을 비교하고, 오차가 발생하였다면 그 이유때 아세톤을 완전히 기화시킨 시점을 잘 맞추지 못하였을 가능성이 있다. 아세톤이 모두 기화되고 한참 후에 플라스크를 분리시키고 질량을 측정하였다면 오차가 발생하였을 것이다. 이러한 이유로 발생하는 오차를 줄이기 위해서는 고도의 집중력과 관찰력을 요한다고 생각한다.둘째, 호일로 플라스크의 입구를 잘 밀봉하지 못하여 약간의 틈이 있었다면 그 사이로 기체가 빠져나가 오차가 발생하였을 수 있다.셋째, 플라스크 내 액체 시료를 기화시키고 다시 냉각시킬 때 기체가 완전히 액화되지 못하였다면 오차가 발생하였을 것이다.넷째, 냉각시킨 플라스크의 질량을 측정하기 전에 플라스크 바깥에 묻은 물을 모두 닦아야 하는데 조금이라도 물이 남아있었다면 약간의 오차가 발생하였을 가능성이 있다.만일 기화되기 어려운 액체 시료를 사용하면, 실험에 어떤 어려움이 있을지 생각해보시오.기화되기 어려운 액체 시료를 사용하면 물 중탕으로 가열하여 기화시키는데 오랜 시간이 걸려 실험에 어려움을 줄 수 있다. 또한 완전히 기화가 덜 된 상태에서 플라스크를 냉각시켜 응축된 액체를 얻는다면, 시료의 질량 측정에서 큰 오차가 발생할 것이다.플라스크 안의 기체의 압력과 대기압이 같은 이유를 설명해보시오.액체 시료를 기화시키기 위해 가열하면 플라스크 내부의 온도 상승으로 인하여 내부 압력이 올라간다. 이때 대기압보다 플라스크 내부의 압력이 높아지게 되면 기체가 대기압과 평형을 맞추기 위해 플라스크에 덮은 호일 뚜껑의 작은 구멍을 통해 기체가 조금씩 빠져나가게 된다. 이러한 이유 때문에 플라스크 내부 기체의 압력과 대기압이 같아지게 되는 것이다.나의 실험에 관한 discussion이상 기체 상태 방정식을 이용하여 미지의 시료의 분자량을 알아내는 실험을 하였다. 실험에 사용하는 액체 시료는 실온에서 액체로 존재해야 하며, 가열해 기화하였을 때 둥근 플라스크 내부를 채울 수 있도록 끓는점이 물의 끓는점(100 ℃)보다 낮아야 한다. 이번 실험에서 둥근 바닥 플라스크에 덮는 알루미늄 호일 뚜껑에 작은 구멍을 뚫었는데, 에 닿으면 액체 시료의 온도가 100 ℃ 이상으로 상승하여 시료가 기화되지 못할 수 있기 때문에 주의를 기울여야 했던 것이다. 이러한 점과 위의 오차가 발생한 이유들에 유의하여 실험을 수행해야 최소한의 오차를 낼 수 있는 실험이었다고 생각한다.9. 참고문헌1) 이홍인. (2016). 일반화학실험 (제 1판 6쇄) 파주: 자유아카데미. (P. 63~67)2) 위키백과. 아세톤. 2020년 6월 8일 월요일 Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/" https://ko.wikipedia.org/wiki/아세톤3) 위키백과. 에탄올. 2020년 6월 8일 월요일 Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/" https://ko.wikipedia.org/wiki/에탄올4) NAVER 지식백과(화학백과). 헥세인. 2020년 6월 8일 월요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827753&cid=62802&categoryId=62802" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827753&cid=62802&categoryId=628025) NAVER 지식백과(화학백과). 이상 기체. 2020년 6월 8일 월요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662961&cid=62802&categoryId=62802" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662961&cid=62802&categoryId=628026) NAVER 지식백과(두산백과). 기화. 2020년 6월 9일 화요일 Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1071680&cid=40942&categoryId=32251" https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1071680&cid=406
