예비레포트실 험 제 목 :용해열 측정조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적염화칼슘과 질산암모늄을 물에 용해시킨 후, 컵 열량계를 이용해 두 용액의 변화한 온도를 측정한다. 실험 결과를 통해 나온 온도를 이용해 두 반응이 흡열반응인지 발열반응인지 판단할 수 있다. 또한, 실험을 통해 구한 온도 변화와 열용량 값, 열량식을 이용해 반응열과 용해열을 구할 수 있다. 뿐만 아니라 용질의 몰당 용해열 그래프를 나타낼 수 있다.2. 바탕 이론① 열량계열량계는 화학반응이나 물리적 공정에서 계의 안팎으로 전달되는 열을 측정하는 기구를 말한다. 열량계는 변화가 일어나는 계를 담는 그릇과 젓개, 온도계로 구성되어 있는데, 이때 그릇은 단열되어 있어 주위 공기와 열 교환이 일어나지 않는다. 그렇기 때문에 열 흐름은 반응계와 열량계 사이에서만 존재한다.반응계의 열 흐름은 열량계의 열 흐름과 크기는 같고 부호는 반대인데, 이를 식로 나타내면 다음과 같다.q _{반응계} =`-q _{열량계} 반응이 발열 과정이라면q _{반응계}는 음의 값을 가지게 되고(q _{반응계}0)을 가지게 된다. 이때 열은 반응 혼합물에서 열량계로 흐르게 된다. 반대로, 반응이 흡열 과정이라면q _{반응계}>0,q _{열량계}>0이 되고 열량계는 반응 혼합물로 열을 주게 된다.열량계 측정에서 사용되는 기본식이 있는데, 그 식은 다음과 같다.q`=`cm TRIANGLE T=C TRIANGLE T(c:`물질의`비열,`m`:`물질의`질량,`C`:물질의`열용량,` TRIANGLE T`:`온도`변화)` 열량계 중에서도 일정 압력을 유지하면서 열의 출입을 측정하는 일정 압력 열량계를 사용하면 엔탈피 변화TRIANGLE H(=q _{p})를 결정할 수 있다. 또한, 일정 부피를 유지하면서 열의 출입을 측정하는 일정 부피 열량계를 이용하면 내부 에너지 변화TRIANGLE U(=q _{V} )를 결정할 수 있다.이렇게 열량계의 종류는 여러 가지가 있는데, 대표적으로는 통 열량계, 컵 열량계 등이 있다. 먼저, 통 열량계는 기체가 날아가지 않도록 하기 위해 주로 기체가 관여되는 반응에 사용된다. 통 열량계는 생성물이 고온에서 존재하는 반응에 사용할 수 없다는 단점이 있다. 하지만, 연소 반응과 같이 격렬한 반응 조건에서도 열량계 내부에 있는 통의 부피가 일정하게 유지된다는 장점이 있다. 컵 열량계는 커피-컵 열량계라고도 하며 단열이 잘 되는 폴리스티렌 컵으로 만들어져 있다. 컵 열량계 같은 경우는 열량계 내부에서 진행되는 반응에 의해 발생되는 열은 모두 물이 흡수한다는 특징이 있다. 하지만, 정밀도가 많이 떨어진다는 단점이 있다.Figure 1. 통 열량계(좌)와 컵 열량계(우)② 흡열반응흡열반응은 반응 물질의 에너지가 작고 생성 물질의 에너지가 커서 외부로부터 에너지를 흡수하는 반응으로, 주위로부터 열 에너지를 흡수한다. 반응이 진행될수록 계는 주위의 열을 흡수하였기 때문에 계의 온도는 점점 높아지게 되고, 주변의 온도는 열을 빼앗겼기 때문에 낮아지게 된다. 흡열 반응이 일어나게 되면 생성물의 엔탈피H(또는 내부에너지U)는 증가하게 된다. 또한, 열흐름 q의 경우 열이 주위로부터 계로 흘러 들어가면 (+) 값을 갖게 되는데, 흡열 반응의 경우 열을 흡수했기 때문에 q>0이다. 화학 반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열량인 반응열 Q도 열을 흡수하면 (+) 값을 갖기 때문에, 흡열반응은 Q>0이다. 본 실험에서 진행하는 질산암모늄의 용해도 흡열반응이다.Figure 2. 흡열반응의 diagram③ 발열반응발열 반응은 반응 물질의 에너지가 높고 생성 물질의 에너지가 낮아 외부로 에너지를 방출하는 반응으로, 주위에 열을 방출한다. 반응이 진행될수록 계의 온도는 낮아지게 되고, 주변의 온도는 방출된 열로 인해 증가하게 된다. 발열반응이 일어나게 되면 생성물의 엔탈피H는 감소하게 되고, 열흐름q는 (-) 값(q
예비레포트실 험 제 목 :전기분해와 전기도금조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적전기 분해와 전기 도금에 대해 이해하고 실험을 통해 전해질 용액을 전기분해하고 물질을 전기 도금해본다. Faraday’s Law of electrolysis과 Faradaic efficiency에 대해 이해하고 결과값을 식에 대입해보고 전하량, 전류의 세기, 전착 두께 등을 구해본다. Nernst equation에 대해 이해해보고 식에 값을 대입하여 구하고자 하는 값을 계산한다.2. 바탕 이론① 전기도금전기도금은 전기 에너지를 이용하여 전극 표면에 특정 물질을 코팅하는 것을 말한다. 전기도금을 이용하면 전극의 표면을 매끄럽게 하여 닳거나 부식되지 않도록 할 수 있다. 전기 에너지를 가해 물질을 증착하는 방식에 따라 전기 화학 도금(electro-chemical deposition), 전기 이동 석출(electro-phoretic deposition), 미달 전위 석출(under-potential deposition)로 나눌 수 있다. 전기 화학 도금은 전압이나 전류를 제어하여 물질을 증착하고 전기 이동 석출과 미달 전위 석출은 전기 이동을 이용하여 물질을 증착하는 방식이다.전기 화학적 산화, 환원에 따라 환원 전기도금(cathodic electro-deposition), 산화 전기 도금(anodic electro-deposition)으로 나눌 수 있다. 환원 전기도금은 금속 이온의 전기 화학적 환원을 따라 전극 표면에서 금속이 석출되는 것으로 가장 널리 사용되는 방식이다. 산화 전기 도금은 금속 산화물, 일부 고분자의 전기도금에서 전기 화학적 산화를 통해 전극 표면에 물질이 석출되는 것이다.전기도금의 장점은 다음과 같다. 첫 번째로 환원제를 사용하지 않는 간단하고 쉬운 방법으로 여러 가지 물질을 도금할 수 있다는 것이다. 두 번째로 전기 에너지를 이용하여 도금하기 때문에 도금량과 도금 속도를 제어할 수 있어 도금 높이, 전극 표면 상태를 제어하기 쉽다. 마지막으로 전기도금은 복합체1``84 TIMES 10 ^{4} `C` BULLET mol ^{-1} Faraday’s law를 이해하기 위해서는 전기화학당량(electrochemical equivalent)에 대해 알아야 한다. 전기화학당량은 단위 전하량에 대해 전극에 쌓인 물질의 질량을 의미하며 기호 E로 표시하고 단위는 kg/C이다. 전기화학당량은 다음과 같이 표현할 수 있다.E`=` {``m} over {Q} 패러데이 식을 이용하여 표현할 수도 있다.E`=` {M} over {zF} Faraday's second law는 같은 전기량에 의해 석출되는 물질의 질량은 물질의 종류에 관계없이 각 물질의 화학 당량에 비례한다는 법칙이다. 즉 1그램당량의 물질량을 전기분해하여 석출하는데 필요한 전기량은 물질의 종류에 관계없이 항상9.648```533```212``331``001``84 TIMES 10 ^{4} `C`으로 일정하다는 것이다. Faraday's second law를 식으로 나타내면 다음과 같다.{m _{1}} over {m _{2}} `=` {E _{1}} over {E _{2}} Faraday’s Law of electrolysis를 요약하면 다음과 같다.E`=` {m} over {Q} `=` {M} over {zF}THEREFORE `m`=`Q` TIMES ` {M} over {zF} 정전류 전기분해에서Q`=`I`t 이므로THEREFORE `m`=` {I`t} over {F} ` TIMES ` {M} over {z} ```,````` delta ``=` {m} over {rho TIMES A}(m`:도금된`금속의`무게,`I`:전류,``t`:전착`시간,`F`:패러데이`상수,`M`:원자량,`z`:이온의`원자가)( delta `:`전착`두께,` rho `:`금속`밀도,`A`:`전착`면적)④ Oxygen Evolution Reaction(OER) - 산소 발생 반응Oxygen Evolution Reaction(OER)은 산소 발생 반응으로, 물의 산화 반응을 통해 산소 기체와 전자``H _{2,`ad}Heyrovski reactionH _{aq}^{+} +H _{ad} +e ^{-} `` rarrow ``H _{2,`ad}H _{2} O`+H _{ad} +`e ^{-} `` rarrow ``H _{2,`ad} +OH ^{`-}Table 1. HER의 단계⑥ 작업전극(working electrode)작업전극은 전극 반응을 일으킬 때, 시료 중에 전류를 흐르게 할 목적으로 사용하는 전극 2개 중에서 목적하는 반응을 일으키기 위해 사용하는 전극을 말한다. 즉, 관심 있는 반응이 일어나는 전극이라고 할 수 있다. 전극의 반응이 환원인지 산화인지에 따라 작업전극을 음극(환원일 때), 양극(산화일 때)이라고 한다.작업전극의 재료는 두 가지 요소를 고려해야 한다. 먼저, 재료는 분석 물질과 함께 산화환원 거동을 나타내야 하고 이상적으로 전극 오염 없이 빠른 전자 전달을 할 수 있어야 한다. 두 번째로는 전해질 용액에서 전위창(potential window)은 가능한 넓어야 한다. 전위창은 전극 재료, 용매, 지지염 등의 조합에서 목적으로 하는 반응에 대해 전극, 용매, 지지염의 반응에 의한 방해가 무시될 수 있는 전위 범위를 의미한다.작업전극 재료로는 대표적으로 백금, 금, 탄소, 수은이 있고 이중에서 백금이 가장 선호된다. 백금은 높은 전기화학적 불활성도를 보이며 다양한 형태로 제조하기 용이하다는 특징이 있다. 하지만 백금은 가격이 비싸고 전해질에 소량의 물이나 산이 존재하면 수소 이온이 감소해 낮은 음의 전위(E=-0.059 TIMES pH)에서 수소 기체를 형성한다는 단점이 있다.⑦ 상대전극(counter electrode)상대전극은 전압 전류 분석이나 전류가 흐를 것으로 예상되는 반응에 사용되는 전극으로 three-electrode electrochemical cell에 사용되고 보조전극(auxiliary electrode)라고도 한다. 전류는 작업전극을 통해 상대전극으로 흐르기 때문에 상대전극은 전해질에 연결하는데 이용된다.상대전극은 작업 반쪽 전지에 연결하고 ? 단자를 표준 수소 전극에 연결한다. 이때 표준 수소 전극은 활동도가 1인 수소 기체, 산성 용액, 백금 전극으로 구성되어 있고 표준 환원 전위는 0.000V이다. 이로 인해 전위차계에서 측정된 전압은 전기 화학 반응의 표준 환원 전위라고 할 수 있다.표준 환원 전위의 값이 양의 값이면 표준 상태에서는 수소 이온보다 환원이 잘 되고, 음의 값이면 수소 이온 보다 환원이 잘 되지 않는다. 따라서 표준 환원 전위는 값이 클수록 환원성이 크고, 작을수록 산화성이 커진다. 그래서 표준 환원 전위 값이 큰 것을 전위차계 (+) 단자에, 작은 것을 (-) 단자에 연결해야 한다.이번 실험에서 전체적인 반응과 표준 환원 전위는 다음과 같다.- Anode :2H _{2} O``` rarrow ``O _{2} (g)`+`4H ^{+} (aq)`+`4e ^{-}E _{ox}^{CIRC } =`-1.229V- Cathode :Cu ^{2+} (aq)`+`2e ^{-} `` rarrow ``Cu(s)```````````````````E _{red}^{CIRC } =0.339V (H ^{+} (aq)+2e ^{-} `` rarrow ``H _{2} (g)```````````````E _{red}^{CIRC } =0V- overall reaction :2H _{2} O```+2Cu ^{2+} (aq)`` rarrow ``O _{2} (g)`+`4H ^{+} (aq)`+`2Cu(s)`````````````````````E ^{CIRC } =`-0.89VFigure 1. 표준 환원 전위⑩ SHE(Standard hydrogen electrode) - 표준 수소 전극표준 수소 전극은 촉매성의 백금(Pt) 전극 표면을 수소 이온의(H ^{+}) 활동도가 1인 산성 수용액에 접촉하게 한 뒤, 1기압의 수소 기체를 전극이 담긴 통 속에 넣어준 전극을 말한다. 표준 환원 전위(E ^{` CIRC })는 0.000V이고, 모든 온도에서 백금과 용액 간의 전위차는 0이다.Fig)`lnQ위의 식에서 자연 로그를 상용 로그로 바꾸면 다음과 같다.THEREFORE E=E ^{` CIRC } -(2.303``RT/nF)`logQT에 298K(25℃), R의 값을 대입해주면 Nernst equation을 간단히 정리할 수 있다.THEREFORE E=E ^{` CIRC } -(0.0592V/n)`logQ````(T=298K) 본 실험에 대한 Nernst equation은 다음과 같다.E`=` LEFT [ E _{red}^{CIRC } - {0.05916} over {2} TIMES log {1} over {Cu ^{2+}} RIGHT ] - LEFT [ E _{ox}^{CIRC } - {0.05916} over {2} TIMES log {1} over {P _{O _{2}}^{{1} over {2}} (H ^{+} ) ^{2}} RIGHT ]3. 실험 기기 및 시약① 황동판황동판에서 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 첨가하여 만든 합금을 말한다. 황동은 순동보다 주조하기 쉬우며, 경도, 강도가 크고 전연성이 풍부해 얇거나 가늘게 만들 수 있다. 황동은 α 황동과 β 황동으로 나뉜다. α 황동은 고체의 구리 속에 아연이 녹아 들어가는 범위가 35%까지인 것을 말한다. 아연의 양이 많아지면 경도, 강도가 커지고 합금의 색도 붉은색에서 황색에 가까워진다. β 황동은 아연이 들어가는 범위가 45% 이상인 것을 말한다.② 수산화나트륨(NaOH)수산화나트륨은 흰색을 띠는 무취의 고체이다. 강염기 물질이며 pH는 14이고 20℃에서 50g/L의 농도를 나타낸다. 분자량은 40이고 비중은 20℃에서 2.13이다. 녹는점은 318℃, 초기 끓는점은 1390℃이다. 금속을 부식시킬 수 있고 금속과 접촉 시 가연성 수소 기체를 생성할 수 있다. 또한, 타는 동안 열분해 또는 연소에 의해 자극적이고 유독한 가스가 생성될 수 있다. 본 실험에서는 탈지세척 과정에 사용된다.③ 사이안화나트륨(NaCN)사이안화나트륨은 시안화나트륨이라고도 하며, 특징적인 냄새를 갖는 흰gCl|
예비레포트실 험 제 목 :용존산소(DO) 측정조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적DO(용존산소)와 수질오염의 개념을 이해하고, DO가 수질에 미치는 영향과 DO와 수질오염의 관계를 이해할 수 있다. Winkler-Azide 변법과 Iodometry의 개념과 실험 과정을 이해하고, 본 실험에서 사용되는 시료, 시약의 역할과 사용 순서를 알 수 있다. 용존산소 계산식을 통해 용존산소의 양을 계산할 수 있다. DO meter의 원리와 사용법을 알고, 용존산소를 검출할 수 있다.2. 바탕 이론① DO(Dissolved Oxygen)DO(Dissolved Oxygen)는 용존 산소로, 물에 용해되어 있는 분자상의 산소를 의미한다. 이는 수생환경에서 살아있는 수생 생물이 사용할 수 있는 산소의 양을 나타내며, 수질오염 지표 중 하나이기도 하다.대기압 20℃에서 산화 반응이나, 생물이 없다는 가정하에 DO의 양은 9ppm이고, 온도가 감소하게 되면 DO의 양은 증가하기 때문에 약 4℃에서 DO의 양은 13ppm이다. 수생환경에서 산화가 일어나거나 생물이 존재하게 되면, DO의 양은 감소하게 되는데, 이때 수생환경 속에서 생물이 살아가기 위해서는 DO는 최소 4ppm이 있어야 한다.보통 DO는 수생환경의 오염도가 증가할수록 감소하게 되는데, 이는 물 속에서 생물이 호흡하는데 필요한 산소가 줄어든다는 것을 의미하고 생물이 생존하기 어려운 환경이라는 것을 의미한다. DO가 감소하는 원인을 찾아보면 다음과 같다.먼저, 온도가 있다. 물의 온도가 증가하게 되면 DO의 양은 감소하게 된다. 두 번째로, 영양소와 침전물이다. 영양소가 많게 되면 물 속 식물이 과하게 자라면서 호흡을 하기 때문에 DO가 감소하게 된다. 침전물도 많아지게 되면 DO의 양도 감소하게 된다. 세 번째로, 물이 움직이는 속도가 느리면 물이 따뜻해져 DO의 양이 감소하게 된다. 그 외에도 물의 탁도, 기상 조건 등이 있다.DO를 측정하는 방법으로는 Winkler-Azide 변법, 격막 전극법(Membrane E 산소의 양을 말한다. 이것은 물의 오염도를 나타내는 지표로 사용되기도 한다.수생환경에 도시폐수나 공장폐수가 방류되면, 폐수 중에 있는 산화되기 쉬운 유기물질로 인해 수질 오염이 발생한다. 이 유기물질들은 물 속에 있는 호기성 세균에 의해 산화되는데, 이때 호기성 세균이 사용하는 용존 산소 양을 BOD라고 하는 것이다. BOD는 mg/l나 ppm으로 나타낸다.③ 수질오염수질오염은 인간의 활동으로 인해 호수, 강, 해양 등이 생물학적, 물리적, 화학적으로 수질이 악화되는 현상을 말한다.수질오염을 일으키는 물질들을 점 오염원, 분산 오염원(비점 오염원)에서 배출된다. 점 오염원은 분리되고 제한된 영역으로 배출되는 오염원을 말하며, 산업지역이나 도시지역에 있는 하수도 시스템에서 배출하는데 사용되는 배수구가 점 오염원이다. 분산 오염원은 분산되어 있어 매우 광범위하고 제한적이지 않은 오염원으로, 농촌지역이나 숲에서의 유기물질 유출이 분산 오염원이다. 분산 오염원은 넓은 지역에서 발생한 오염물질들이 누적되고, 이로 인한 오염은 통제하기 어렵다는 특징이 있다.지표수 말고도 지하수에서도 오염이 일어나는데, 지하수 오염의 오염원으로는 폐기물 처분시설의 누출, 염수 침입, 도시, 산업, 농경지 유출수 등이 있다.대표적인 수질 오염 물질로는 산소를 요구하는 폐기물, 병원성 미생물, 합성 유기화합물, 중금속, 방사성 물질, 퇴적물 등이 있다.수질 오염으로 인해 수생환경은 부영양화 상태가 될 수 있는데, 부영양화는 필요한 적정량 이상의 유기물, 질소화합물, 인산염이 물 속에 과도하게 축적되어 자연정화로는 제거될 수 없는 과잉 영양 상태를 말한다. 이렇게 부영양화 상태가 되면, 유기성 물질, 세균 등이 과하게 증가하기 때문에 이것들을 영양원으로 하는 원생동물도 증가하면서 식물들의 양은 감소하게 된다.④ Winkler-Azide 변법Winkler-Azide 변법은 용존산소 분석에 사용되는 Iodometric 방법 중 하나로, 가장 정확한 적정 방법이다. 본 실험에서 사용되는 시료를 이가하고 요오드화칼륨(KI), 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 첨가한 후에 용존산소 측정병 뚜껑을 닫는다. 세 번째, 수용액을 첨가한 측정병을 혼합후 정치한다. 네 번째, 상층액이 완전히 분리되면 상층액의 일부를 황산이 소량 있는 비커에 옮겨 측정병의 내용적을 줄인다. 다섯째, 측정병의 내용적에 황산을 넣어 용액을 산성으로 만들고 침전을 용해해 아이오딘을 유리시킨다. 여섯째, 전체 용액을 비커에 옮기고 녹말을 지시약으로 사용한 다음, 티오황산나트륨으로 적정한다.위의 방법으로 측정된 용존 산소의 양을 계산할 수 있는데, 그 식은 다음과 같다.DO`=`a TIMES f TIMES {V _{1}} over {V _{2}} TIMES {1000} over {V _{1} -R} TIMES 0.2DO` : 측정된 용존산소의 양(mg/L)a : 적정에 사용된 0.025N 티오황산나트륨 표준 용액의 양(ml)f : 0.025N 티오황산나트륨 표준 용액의 역가(f=1)V _{1} : 용존산소 측정병 전체 물의 양(ml)V _{2} : 적정에 사용한 시료의 양, 삼각플라스크 용액의 양(ml)R : 실험에 사용된 황산망간 용액의 양(ml) + 요오드화칼륨-아지드화나트륨 용액의 양(ml)⑤ IodometryIodometry는 아이오딘 적정으로 아이오딘을 이용하는 산화환원 적정이다. 이 적정 방법에는 약한 산화제인 아이오딘 표준 용액을 사용해 강한 환원제를 산화시키는 아이오딘 산화 적정이 있고, 산화제를 환원시켜 아이오딘을 석출시키고 티오황산나트륨(Na _{2} S _{2} O _{3}) 표준 용액을 이용해 적정하는 아이오딘 환원 적정이 있다. 아이오딘 산화 적정, 아이오딘 환원 적정 모두 지시약으로는 녹말이나 클로로폼을 사용한다.아이오딘 산화 적정은 아이오딘의 약한 산화력을 이용해 환원성 물질을 정량한다. 보통 아이오딘은 물에 잘 녹지 않기 때문에 요오드화칼륨(KI) 수용액을 사용한다. 이 적정은 비소나 염화수은 등을 정량하는데 사용된다. 아이오딘 산화 적정의 반응은 다음과 같다.I정은 할로젠화합물이나 과산화물 등을 정량하는데 사용된다. 아이오딘 환원 적정의 반응은 다음과 같다.I _{2} +2Na _{2} S _{2} O _{3} rarrow 2NaI+Na _{2} S _{4} O _{6}⑥ DO(Dissolved Oxygen) meterDO meter는 용존 산소를 측정하는 기기를 말한다. 용존산소의 자동측정법으로는 격막산소전극법이 있는데, 이것은 폴리에틸렌과 같이 투과성 좋은 필름을 피복한 전극을 전해질 용액에 넣고 격막을 통해 용액 중에 확산하는 산소의 신호를 측정하여 DO를 검출하는 방법이다. 검출 방식에는 갈바니전지식과 폴라로그래피 방식이 있고, 보통 갈바니 전지식이 이용된다. 이것은 조작은 간단하지만 막의 오염이 일어날 수 있는 문제가 있다.Figure 1. DO meter3. 실험 기기 및 시약① 300ml 용존산소측정병(BOD 병)용존산소측정병(BOD 병)은 BOD 측정에 사용되는 기구이다. 이것은 sample 용액을 채울 때 병 내부의 모든 공기를 밀어낼 수 있도록 제작되었고, 외부로부터 공기가 유입되는 것을 차단할 수 있는 마개와 입구가 있다.검은색 BOD 병과 투명 BOD 병이 있는데, 검은색 BOD 병 같은 경우는 가시광선을 차단할 수 있는 코팅이 되어 있다,Figure 2. 용존산소측정병(BOD 병)② 수산화나트륨(NaOH)수산화나트륨은 흰색을 띠는 무취의 고체이다. 강염기 물질이며 pH는 14이고 20℃에서 50g/L의 농도를 나타낸다. 분자량은 40이고 비중은 20℃에서 2.13이다. 녹는점은 318℃, 초기 끓는점은 1390℃이다. 금속을 부식시킬 수 있고 금속과 접촉 시 가연성 수소 기체를 생성할 수 있다. 또한, 타는 동안 열분해 또는 연소에 의해 자극적이고 유독한 가스가 생성될 수 있다.③ 요오드화칼륨(KI)요오드화칼륨은 무색이나 흰색을 띠는 고체 형태의 시료로, pH는 7~9 정도이다. 분자량은 166g/mol이고 녹는점은 681℃, 끓는점은 1323℃이다. 물에 잘 녹고, 황산과 반응하게 되면 아이이나 흰색을 띠는 고체로 무기화합물이다. 물에 잘 녹으며, 강한 독성을 띤다. 분자량은 65.01g/mol이고 녹는점은 275℃이다. 분석 시약용으로 사용되기도 한다. 산에 의해서 독성이 생기고 폭발성의 아지드화수소산을 발생시킬 수 있다.⑤ 탄산나트륨(Na _{2} CO _{3})탄산나트륨은 흰색을 띠는 고체 분말 형태이며, 염기성을 띠고 흡습성이 강하다는 특성이 있다. 분자량은 106g/mol이고 녹는점은 851℃, 끓는점은 100℃이다. 가열시 용기가 폭발할 수 있고, 타는 동안 열분해나 연소에 의해 자극적이고 유독한 가스가 발생될 수 있다.⑥ 황산망간(MnSO _{4} BULLET H _{2} O)황산망간은 흰색을 띠는 결정으로, 결정은 상방형 형태이다. 분자량은 51g/mol이고 녹는점은 723K이고, 분해 온도는 850℃이다. 물에 잘 녹는다는 특성이 있다. 고온에서 분해되어 독성가스를 생성할 수 있고, 가열을 하게 되면 용기가 폭발할 수 있다.⑦ 티오황산나트륨(Na _{2} S _{2} O _{3})티오항산나트륨은 싸이오황산나트륨이라고도 하며 흰색을 띠는 고체이다. 분자량은 158g/mol이고, 녹는점은 48℃, 끓는점은 100℃이다. Iodometry의 표준 시약으로 사용된다. 가열시 용기가 폭발할 수 있고 타는 동안 열분해나 연소에 의해 자극적이고 유독한 가스가 생성될 수 있다.⑧ 전분전분은 흰색의 고체 분말로, 비중은 1.5g/cm ^{3}(물의 비중이 1일 때)이다. Iodometry의 지시약으로 사용된다. 시약을 가열하게 되면 나타난 색은 사라지게 되고, 가열을 멈추고 냉각시키면 색이 다시 나타나게 된다. 상온상압조건에서 안정하지만 가열을 하게 되면 용기가 폭발할 수 있다.⑨ 황산(H _{2} SO _{4})황산은 무색의 액체로 강산이다. 흡습성이 강하다는 특징이 있어 황산과 반응하지 않는 물질의 수분을 빼앗는 탈수제로 사용되기도 한다. 또한, 분석 시약으로도 사용된다. 분자량은 98.1g/mol이고 녹는점은 10.4~10.94℃, 끓는점은다.
결과리포트실험제목 :용해열 측정조 :학 번 :이 름 :1. Abstract용해열 측정 실험에서는 염화칼슘과 질산암모늄의 질량, 증류수의 부피를 다르게 해서 각각의 용해열을 측정하는 실험이었다. 증류수가 같은 부피일 때, 시료의 질량이 많아질수록 온도 변화가 더 큰 지 관찰할 수 있고, 부피가 다르더라도 반응열 변화를 비교해 볼 수 있었다. 온도가 더 증가했는지, 감소했는지에 따라 발열반응인지 흡열반응인지 추측해볼 수 있었다. 실험을 통해 나온 결과값을 이용해 직접 열량Q와 용해열TRIANGLE H, 용액의 총괄성TRIANGLE UNDEROVER {H}_{}^{SIM }를 구해볼 수 있었다.2. Experiment용해열 측정 실험에서 시료는 염화칼슘(CaCl _{2})과 질산암모늄(NH _{4} NO _{3})을 사용하였다. 두 시료의 잘량과 증류수의 부피를 다르게 해서 총 3번의 반응을 진행해주었고, 각각 컵 열량계를 이용하여 용해열을 측정해주었다.먼저 염화칼슘(CaCl _{2}) 15g과 증류수 100ml를 사용해 실험을 진행하였다. 시료와 증류수를 열량계에 넣기 전에 증류수 100ml를 비커에 넣고 무게와 온도를 측정해주었다. 이때 증류수 100ml의 무게는 99.9g, 온도는 14℃였다. 증류수의 초기 온도는 실험을 진행할 때마다 측정한 결과 모두 14℃로 나왔다.Figure 1. 증류수 온도 측정그 다음, 증류수와 염화칼슘(CaCl _{2})을 컵 열량계에 넣고 철사 젓개로 저어주며 변화하는 온도를 관찰하였다. 이후, 더 이상 온도 변화가 없다면 실험을 끝냈다. 염화칼슘 20g-증류수 100ml, 염화칼슘 15g-증류수 150ml, 염화칼슘 20g-증류수 200ml 비율로 그 다음 실험도 같은 방식으로 진행해주었다. 염화칼슘(CaCl _{2})-증류수별 시간에 따른 온도 변화는 다음과 같다.Figure 2. 시료와 증류수를 컵 열량계에 넣고 용해열 측정하는 모습15g-100ml시간(s)03*************0온도(℃)141415161717.518시20g-100ml시간(s)03*************0온도(℃)1416.51820212222시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)232323.524-27Table 2. 염화칼슘 20g-증류수 100ml의 시간에 따른 온도 변화15g-150ml시간(s)03*************0온도(℃)14172123.5252627시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)2828.52930-32Table 3. 염화칼슘 15g-증류수 150ml의 시간에 따른 온도 변화20g-200ml시간(s)03*************0온도(℃)*************4시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)2424.52525-26Table 4. 염화칼슘 20g-증류수 200ml의 시간에 따른 온도 변화Table 1, 2, 3, 4를 합쳐보면 다음과 같다.15g-100ml시간(s)03*************0온도(℃)141415161717.518시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)19202022-2220g-100ml시간(s)03*************0온도(℃)1416.51820212222시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)232323.524-2715g-150ml시간(s)03*************0온도(℃)14172123.5252627시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)2828.52930-3220g-200ml시간(s)03*************0온도(℃)*************4시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)2424.52525-26Table 5. 염화칼슘(CaCl _{2})-증류수의 비율별 시간에 따른 온도 변화질산암모늄(NH _{4} NO _{3})도 염화칼슘(CaCl _{2})과 같이 실험을 진행해주었다. 질산암모늄-증류수의 비율도 위의 실험과 같다. 질산암모늄-증류수별 시간에 따른 온도 변화는 다음과 같다.15g-100ml시간(s)03*************0온도(℃)180온도(℃)147776.86.86.8시간(s)210240270300-300(최종)온도(℃)6.56.566-615g-150ml시간(s)03*************0온도(℃)145876.56.56시간(s)210240270300-420(최종)온도(℃)5.55.254.8-420g-200ml시간(s)03*************0온도(℃)141088888시간(s)210240270300-4800(최종)온도(℃)7.87.57.37.3-7Table 6. 질산암모늄(NH _{4} NO _{3})-증류수별 시간에 따른 온도 변화3. Result & DiscussionTable 5를 이용해 염화칼슘(CaCl _{2})의 질량별 시간에 따른 온도 변화를 그래프로 나타내면 다음과 같다.Figure 3. 염화칼슘(CaCl _{2})의 질량별 시간에 따른 온도 변화 그래프질산암모늄(NH _{4} NO _{3})도 Table 6를 이용해 질량별 시간에 따른 온도 변화를 그래프로 나타내면 다음과 같다.Figure 4. 질산암모늄(NH _{4} NO _{3})의 질량별 시간에 따른 온도 변화 그래프먼저 염화칼슘의 경우, Figure 3을 보면 시간이 지날수록 수용액의 온도가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 또한, 증류수가 같은 부피일 때 염화칼슘의 용질이 많을수록 그래프의 기울기가 대부분 더 가파른 것을 볼 수 있는데, 이를 통해 용질이 많을수록 온도가 더 크게 증가한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 열량계 안에서 발열 반응이 일어났다는 것을 알 수 있다.질산암모늄의 경우, Figure 4를 보면 시간이 지나갈수록 수용액의 온도가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 염화칼슘과 마찬가지로 증류수가 같은 부피일 때 용질이 많을수록 대부분 그래프 기울기가 가파른 것을 관찰할 수 있는데, 질산암모늄도 마찬가지로 용질이 많을수록 온도가 크게 감소하였다. 이를 통해 열량계 안에서 흡열반응이 일어난 것을 알 수 있다.이제 위에서 구한TRIANGLE T의 값과 물의 비열(c) 4.2J/g℃를 이용해 열량 Q를00.415g-150ml100.920g-200ml150.6Table 7. 염화칼슘에 사용된 증류수의 질량증류수의 질량(g)15g-100ml99.320g-100ml100.315g-150ml100.420g-200ml150.2Table 8. 질산암모늄에 사용된 증류수의 질량염화칼슘의 분자량은 110.9g/mol, 질산암모늄의 분자량은 80.1g/mol, 물의 분자량은 18g/mol이므로 이들을 이용해 용액의 몰 수(tilde{n})를 구할 수 있다.tilde{n}을 구하는 식은 다음과 같다.{tilde{n`}} = {(용질의mol수)} over {(용질의`mol수)+(증류수의`mol수)} 용해열(TRIANGLE H)과 용액의 총괄성(TRIANGLE tilde{H})을 구하는 식은 다음과 같다.TRIANGLE H`=- {Q} over {n} TRIANGLE {tilde{H}} ``=` {TRIANGLE H} over {{tilde{n}}}CaCl _{2}질량(g)TRIANGLE T(℃)열량Q(kJ)용해열TRIANGLE H(kJ)용액의 몰수{tilde{n}} (mol)TRIANGLE tilde{H}(kJ/mol)15g-100ml83.32-24.50.024-102120g-100ml135.45-30.20.031-97415g-150ml187.55-55.80.024-232520g-200ml127.53-41.80.021-1990Table 9. 염화칼슘 양에 따른TRIANGLE T,Q,TRIANGLE H,{tilde{n}},TRIANGLE tilde{H} Table 9를 통해 염화칼슘의TRIANGLE tilde{H} 변화에 대한 그래프를 나타내보면 다음과 같다.Figure 5. 염화칼슘의TRIANGLE tilde{H} 그래프질산암모늄의 값도 구해보면 다음과 같다.NH _{4} NO _{3}질량(g)TRIANGLE T(℃)열량Q(kJ)용해열TRIANGLE H(kJ)용액의 몰수{tilde{n}} (mol)TRIANGLE tilde{H}(kJ/mol)15g-100ml-5-2.0810.923.10.029796Table 10. 질산암모늄 양에 따른TRIANGLE T,Q,TRIANGLE H,{tilde{n}},TRIANGLE tilde{H} Table 10를 통해 질산암모늄의TRIANGLE tilde{H} 변화에 대한 그래프를 나타내보면 다음과 같다.Figure 6. 질산암모늄의TRIANGLE tilde{H} 그래프염화칼슘과 질산암모늄의TRIANGLE tilde{H} 그래프를 그려본 결과, 염화칼슘의 경우에는 증류수가 100ml로 같은 부피일 때 용질이 더 많으면 용액의 총괄성이 증가하는 모습을 보였다. 질산암모늄의 경우에는, 증류수 100ml로 같은 부피일 때 염화칼슘과는 반대로 용질이 더 많을수록 용액의 총괄성이 감소하는 모습을 보였다.4. Conclusion실험을 하기 전에, 염화칼슘의 경우에는 발열반응이 일어나 온도가 증가하고 용해열 값은 (-), 용액의 총괄성은 (-)가 나올 것이라고 예측했다. 그리고 용질의 질량이 많아질수록 온도가 더 많이 상승할 것이라고 예측했다. 실험 결과, 예측한 것과 같이 발열반응이 일어났다. 이로 인해 용해열 값은 양수, 용액의 총괄성은 음수값이 나왔다. 또한, 증류수가 같은 부피일때도 용질의 양이 많으면 용액의 총괄성 그래프가 증가하는 모습을 보였다. 다른 부피인 15g-150ml, 20g-200ml를 비교해보면, 용질의 양이 많으면 용액의 총괄성 그래프는 증가하였다.질산암모늄의 경우에도 예측한 것과 같이 흡열반응이 일어나 용해열 값은 (+), 용액의 총괄성 값은 (+)가 나왔다. 증류수가 같은 부피인 100ml일 때 용질의 양이 증가할수록 용액의 총괄성이 감소하며 올바른 모습을 보여줬다. 하지만, 다른 부피인 15g-150ml, 20g-200ml를 비교해보면 용질의 양이 증가했음에도 원래 예상과는 반대로 용액의 총괄성이 증가하는 모습을 보였다. 이에 대한 원인을 생각해보면 다음과 같다.먼저, 용질이 제대로 생기지 않은 것이 원인이다. 시료를 넣은 후, 철사 젓개로 계속 저어주긴 했지만 반응이 끝나고 열량다.
예비레포트실 험 제 목 :액체 표면장력 측정조 :학 번 :이 름 :1. 실험 목적모세관 현상과 표면장력에 대해 이해하고, 모세관 현상을 이용해 에탄올 농도에 따른 표면장력의 변화를 관찰한다. 접촉각과 측정 방법에 대해 이해하고, 슬라이드 글라스 위에 액체 방울을 만들어 접촉각을 측정할 수 있다. 그 접촉각을 이용해 액체 방울의 표면장력을 구할 수 있다. 또한, 에탄올 농도에 따른 액체 분자 사이의 응집력과 액체-계면 사이의 부착력에 대해 관찰해보고 이해할 수 있다.2. 바탕 이론① 모세관 현상모세관 현상은 액체 속에 폭이 좁고 긴 관(모세관)을 넣었을 때, 중력과 같은 외부의 힘이 없어도 관 내부의 액체 표면이 외부의 표면보다 높아지거나 낮아지는 현상을 말한다. 이 현상은 액체의 응집력과 관과 액체 사이의 부착력에 의해 발생한다. 모세관 현상은 메니스커스(meniscus)에서 일어나는 모든 현상을 포함하는데, 여기서 메니스커스는 모세관 현상에 의해 관 속에 있는 액체의 표면이 이루는 곡면을 말한다. 메니스커스는 액체의 성질에 따라 오목해지거나 볼록해지는 특성이 있다.만약 모세관을 물에 담그면 아래로 볼록한 메니스커스가 형성되고 물은 모세관을 따라 올라가게 된다. 물 대신 수은에 넣으면 위로 볼록한 메니스커스가 형성되고 수은은 모세관을 따라 내려가게 된다.모세관 현상을 설명하는 가장 대표적인 이론은 Young-Laplace equation이다. 이 방정식에 따르면 아래로 볼록한 메니스커스가 형성될 때 모세관 내 액체의 압력은 모세관 밖의 액체 압력보다 작다. 이 압력 차이에 의해 모세관 내에 있는 액체가 모세관을 따라 올라가는 것이다. 표면장력 계산식을 이용해 모세관을 따라 올라간 액체의 높이(h)를 구해보면 다음과 같다.h`=` {2 gamma `cos theta } over {rho gr}(gamma : 액체-기체 계면의 표면장력(J/m ^{2} `,`N/m),theta : 액체-고체 사이 접촉각,rho : 액체 밀도,g : 중력 가속도,r : 모세관 반지름 {p} over {p ^{*}} `=` +- {2 gamma V _{m}} over {rRT}(p : 계면 근처 액체의 증기압,p ^{*} : 계면이 평면일 때 액체의 증기압,gamma : 계면의 표면장력,V _{m} : 액체의 몰부피,R : 기체 상수,T : 절대 온도)Kelvin equation에서 + 부호는 액체 방울, - 부호는 거품에 해당된다. 모세관 현상에서는 +부호를 가지는 Kelvin equation이 관련이 있다. Kelvin equation에 따르면 액체 방울의 반지름이 감소할수록 액체의 증기압이 지수함소적으로 크게 크게 증가하여 안정한 액체 방울을 유지하기 어렵다. 따라서 소량의 분자들이 액체 방울을 만들 때 크기가 작을수록 증기압이 커져 분자들이 다시 기체 상태로 돌아간다.Figure 1. 물과 수은의 모세관 현상② 접촉각(contact angle)접촉각은 액체가 고체 표면에서 이루는 각도로 고체, 액체, 기체 세 가지 상 접촉점에서의 접선과 고체 표면이 이루는 각을 말한다. 접촉각은 고체 표면의 습윤성(wettability)을 나타내는 척도로 사용된다. 고체 표면에 액체 방울이 존재할 때 응집력(Cohesion)과 부착력(Adhesion)의 균형이 액체 방울의 형태를 결정한다. 응집력은 액체 방울 내부의 분자들끼리 잡아당겨 액체 방울을 둥글게 만든다. 부착력은 액체 방울과 고체 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 작용하는데 액체 방울이 고체 표면 위에 넓게 퍼지도록 만든다.접촉각의 크기에 따라 습윤성의 크기가 달라진다. 접촉각이 0°이면 액체는 넓게 퍼져 고체 표면을 완전히 적신다. 접촉각이 0°과 90° 사이이면 습윤성이 커지며 고체 표면은 친수성을 가지게 된다. 접촉각이 90°에서 180° 사이이면 습윤성이 작아지게 되고 고체 표면은 소수성을 가지게 된다. 접촉각이 180°면 액체는 완전한 구형의 액체 방울이 되어 고체 표면을 전혀 적시지 못한다.접촉각은 동적 접촉각(dynamic contact angle), 전진 접촉각(advancin촉각을 말하며, 전진 접촉각과 후진 접촉각은 동적 접촉각이다. 정적 접촉각은 고정된 액체 방울과 고체 표면 사이에 형성되는 접촉각을 말한다. 전진 접촉각은 액체-고체의 응집력의 척도이며, 후진 접촉각은 액체-고체의 부착력의 척도이다. 이러한 전진 접촉각과 후진 접촉각의 차이를 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis)라고 한다. 접촉각 히스테리시스는 실제 고체 표면은 모양이나 화학적 구성이 균일하지 않기 때문에 나타난다.액체 방울을 고체 표면에 놓는 속도, 각도, 방울의 크기는 접촉각에 영향을 준다. 또한, 액체 방울이 표면에 만들어진 후에 방울 표면에서 증발이 일어나게 되면 접촉각이 영향을 받는다. 고체 표면이 균일하게 젖었는지, 불균일하게 젖어있는지도 접촉각에 영향을 준다.정적 접촉각과 동적 접촉각을 측정하는 방법은 서로 다른데, 정적 접촉각은 접촉각 측각기(goniometer)를 이용하여 측정한다. 이 기구를 사용하면 고체 표면에 있는 액체 방울의 단면을 찍을 수 있다. 접촉각 측각기를 이용하여 측정한 접촉각은 전진 접촉각과 비슷하게 측정된다. 동적 접촉각은 액체 방울에 액체 소량을 더하거나 제거하여 접촉각을 측정하는 동적 실험을 통해 측정된다. 액체 방울에 소량의 액체를 더하면 접촉각이 커지는데 이때 전진 접촉각이 측정된다. 반대로 액체 방울에 소량의 액체를 제거하면 접촉각이 작아지는데 이때 후진 접촉각이 측정된다.Figure 2. 접촉각(theta _{C})③ 습윤성(Wettability)습윤성은 재료의 표면이 액체와 접촉을 유지하려는 정도로, 젖음의 정도를 의미한다. 재료의 표면과 액체가 접촉하게 되면 분자 간 상호작용이 발생하는데, 이 분자 간 상호작용에 의해 습윤성의 정도가 정해지게 된다. 또한, 물과 고체 표면 간의 접촉각으로 습윤성의 정도를 측정하고 구분할 수 있다.고체 표면 위에 있는 액체 방울의 선단 부분에는 고체-기체 사이에 작용하는 계면에너지, 표면장력(액체-기체 사이 작용), 고체-액체 사이에 작용하는 계면에너 습윤성은 작아지게 되고, 접촉각이 작아지게 되면 습윤성은 커지게 된다. 위 식의 접촉각(theta )이 작아지게 되면 반대로cos theta 값은 커지게 된다. 이것을 바탕으로 식을 살펴보면gamma _{sg}가 클수록,gamma _{sl} `과gamma _{gl}이 작을수록 접촉각은 작아지게 되고(cos theta 는 증가), 이로 인해 습윤성은 커지게 된다는 것을 알 수 있다.④ 표면장력액체상의 물질은 자유롭게 팽창할 수 없어 다른 액체나 기체 사이에 표면을 형성하는데, 이때 액체 표면에 존재하는 장력을 표면장력이라고 한다. 표면장력의 단위는N/m,J/m ^{2}으로 나타낸다.액체상의 물질은 표면에 노출된 원자와 내부에 있는 원자들로 구성되어 있다. 내부에 있는 원자들은 주변의 모든 원자와 이웃해 그 모든 원자에 끌리지만, 표면에 노출된 원자는 다른 표면 노출 원자와 표면 아래 원자들에게만 끌린다. 그래서 표면 노출 원자들은 내부 원자들보다 항상 높은 에너지를 갖게 되는데, 이들은 낮은 에너지 상태를 갖기 위해 표면 노출 원자 수를 적게 해서 최소 표면적을 유지하려고 한다.Figure 3. 표면 노출 원자와 내부 원자액체의 표면장력은 모세관 상승법으로 측정할 수 있다. 표면장력을 측정하고자 하는 액체 속에 반지름인 r인 모세관이 있을 때, 모세관 현상으로 인해 액체는 높이 h만큼 모세관을 따라 올라간다. 이때 액체를 밀어 올리는 힘이 표면장력, 더 이상 액체가 올라가지 않고 일정 높이에서 멈추게 하는 힘이 중력이다.이때 액체의 부피는pi r ^{2} h, 밀도는rho _{fluid}이고, 중력에 의해 아래로 작용하는 힘을 구해보면pi r ^{2} h` TIMES rho _{fluid} TIMES g이다. 또한, 표면장력에 의해 위로 향하는 힘(액체를 위로 밀어 올리는 힘)은2 pi r` gamma `cos theta 이다. 여기서2 pi r은 원통형 모세관의 둘레,theta 는 액체 표면과 모세관의 접촉각,cos theta 는 힘의 수직 성분,gamma r {`2 pi r`cos theta } = {`rh`` rho _{fluid} ``g``} over {2`cos theta }Figure 4. 모세관 상승법을 통해 표면장력 측정⑤ 표면 자유 에너지표면 자유 에너지는 물질의 표면이 형성될 때 나타나는 분자 간 상호작용 에너지의 변화를 수치화한 것, 즉 새로운 표면이 생길 때 필요한 에너지를 말한다. 예를 들면 고체 표면에 있는 액체 물방울을 둘로 나눠 새로운 표면을 형성하려고 하면 물 분자 사이의 상호작용력(응집력)을 상회하는 힘이 필요하다. 이때 필요한 에너지를 표면 자유 에너지라고 하는 것이다. 표면 자유 에너지의 단위는mJ/m ^{2}이다.표면 자유 에너지는 접촉각을 이용해 측정할 수 있다. 고체 표면에 안정한 액적(liquid droplet)이 형성되었을 때 이것을 2차원으로 투영할 수 있는데, 투영된 액적의 양쪽 끝단에서는 접촉각이 나타나게 된다. 액적이 움직이지 않는 고착 상태일 때 접촉각은 정적 접촉각이고, 이때 액체 방울은 Young’s equation을 만족한다. Young’s equation은 다음과 같다.gamma _{lv} `cos theta `=` gamma _{sv} -` gamma _{sl}gamma _{lv} `,`` gamma _{sv} ,`` gamma _{sl}는 액체-기체, 고체 표면-기체, 고체 표면-액체의 계면 에너지를 말한다. 이것은 액적이 움직이지 않는 고착 상태이기 때문에 에너지 균형 상태에 도달하였다고 볼 수 있다.Figure 5. 표면 자유 에너지 측정⑥ 응집력(Cohesion)응집력은 물질을 이루는 원자나 분자, 이온 상태의 입자들의 상호작용으로 인해 서로 달라붙어 뭉치고자 하는 힘을 말한다. 응집력은 원자, 분자, 이온 사이의 전자기력, van der waals 힘, 수소 결합력으로 인해 일어난다. 또한, 분자 구조나 형태에 의해 응집력이 결정되는데, 분자들이 가까워지면 전자 분포가 불규칙해지고 이로 인해 전자기력, van der waals 힘, 수소 결합력다.