아보가드로 수의 결정1. 실험 제목 : 아보가드로 수의 결정2. 실험 목적 : 실험을 통해 물 위에 생기는 기름 단층막을 이용하여 구한 아보가드로 수와 실제 아보가드로 수를 비교하여 몰(mole)을 정의하는 데 필요한 아보가드로 수를 실험적으로 확인한다.4. 실험 이론아보가드로 수해당 실험의 제목은 ‘아보가드로 수의 결정’으로 아보가드로 수는 질량수가 12인 탄소 12g 에 들어 있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수(Avogadro’s number, NA = 6.022 X 1023) 이라 한다. 이 수는 상당히 큰 수로 전 세계 바닷물의 부피(1.3X1021L)는 아보가드로수의 100만 분의 1밖에 되지 않는다. 이와 같이 원자나 분자는 크기가 매우 작아서 질량을 측정하는 게 어려우므로 사용하는 법칙이 아보가드로 수이다.이러한 아보가드로 수와 같이 상당히 큰 원자 수를 언급할 때, 화학자들은 양의 SI 기본 단위인 몰(mole)과 그 약자로 mol을 사용한다. 원소 1몰은 아보가드로 수만큼의 원자를 가지고 있으며, 원소의 원자량을 g으로 나타낸 질량을 가지고 있는데, 이것을 몰질량(molar mass) 라고 한다. 각 원자의 1몰당 나타낼 수 있는 몰질량은 다르다. 예를 들어, 은 원자 1몰은 107.868g의 질량을 가지고 탄소 원자 1몰은 212.011g의 질량을 가진다. 따라서 몰질량은 g으로 표시한 질량과 원자 수 사이의 환산 인자로 사용된다. 서로 다른 원소가 같은 몰수를 가지면 또한 같은 원자 수를 갖는다.이러한 몰 질량과 1몰이 차지하는 부피를 이용하여 아보가드로 수를 식을 이용하여 얻을 수 있다. 탄소 원자 1몰이 차지하는 부피, 즉 몰부피(Vm)와 탄소 원자 하나가 차지하는 부피(Vi)를 알면 아래의 식을 이용하여 아보가드로 수를 얻을 수 있다.지구상에 존재하는 탄소는 원자 번호는 같지만 질량수가 다른 원자들인 동위 원소가 섞여있기 때문에 1몰의 평균적인 질량으로 12.011g 이고, 탄소 원자가 촘촘히 쌓여서 만들어진 다이아몬드의 밀도(3.5원자 하나의 부피를 정확하게 알아내는 것은 쉽지 않지만, 기름처럼 물에 섞이지 않는 소수성 탄소 화합물을 이용하면 간단하게 짐작할 수 있다. 소수성의 개념을 설명하기에 앞서, 극성 분자와 비극성 분자를 알아보아야 할 필요가 있다.극성 분자, 비극성 분자공유 결합한 분자 내에서 음극을 가르는 양전하와 음전하가 있는데, 이들이 공유 결합에서 결합하는 원자가 공유한 전자쌍인 공유전자쌍을 차지하려는 성질이 있는데, 이들 사이 힘의 우열이 생겨 평균 중심이 일치하고 있지 않고 어느 한쪽으로 치우친 분자를 극성 분자라 한다. 이 때 극성 분자는 전기 쌍극자 상태에 있는데, 양이온과 음이온을 가진 물질이 서로 일정한 거리를 떨어진 상태를 전기 쌍극자 상태라 한다. 이러한 쌍극자 상태를 가진 극성 분자인 물질을 친수성 물질이라 한다. 친수성 물질로 대표적인 예로 물(H2O)이 있다. 물은 전자를 잘 잡아당기는 산소 한 개에 두 개의 수소가 104.5도의 각도를 이루며 결합되어 있는 극성 분자이다.Figure 1. 극성분자위의 그림과 같이 물의 두 개의 수소와 산소가 일정 각을 두고 벌어진 모양과 산소의 힘이 우세하여 화살표가 산소쪽으로 향하는 모습을 볼 수 있다. 이러한 물 분자의 친수성 특징은 전하를 가진 양이온과 음이온은 물론이고 다른 극성 분자를 안정화시켜서 잘 녹게 만든다.이와 대립하는 개념으로 비극성 분자가 있다. 원자끼리의 힘이 비등하여 전기 쌍극자 성질을 갖지 않는 벤젠이나 헥세인과 동일한 비극성 분자들은 물과 잘 섞이지 않는다.단층막친수성과 소수성의 성질을 둘 다 포함하는 스테아르산(Stearic acid, CH3(CH2)16COOH)은 비극성을 나타내는 긴 탄화수소 사슬(CH3(CH2)16-)의 끝에 극성을 나타내는 카복실기 (-COOH)가 붙어있는 막대기 처럼 생긴 분자이다.Figure 2. 스테아르산Figure 2를 보면, 최우측에 카복실기와 이를 제외한 탄화수소 사슬 부분을 확인할 수 있다. 이런 분자를 물 위에 떨어뜨리면 극성을 가진 카복실기는 물과 에 스테아르산을 충분히 떨어뜨리면 카복실기와 탄화수소 사슬은 서로 반대를 향하며 단분자층의 막이 형성되는데, 이런 막을 단층막(monolayer)이라고 부른다. Figure 2 하단의 그림을 보면 탄화수소 사슬이 물 층 위로 서 있는 모습을 확인할 수 있다.이렇게 단층막이 형성되면 곧은 사슬 모양의 스테아르산 분자가 탄소 18개가 나란히 쌓여있는 것으로 볼 수 있기에 이를 이용해 탄소 하나의 지름을 알 수 있고, 이 값을 이용하면 탄소 원자 하나가 차지하는 부피(Vi)도 얻을 수 있다.5. 실험 방법1. 헥세인으로 여러 차례 헹군 피펫에 헥세인을 충분히 채운다.2. 피펫을 똑바로 세운 상태에서 눈금 실린더에 헥세인 용액을 반쯤 채우고 눈금을 읽는다. 헥세인 용액을 한 방울씩 떨어뜨려 부피가 1.00 mL가 되도록 한다. 피펫을 기울이면 방울의 부피가 달라지기 때문에 똑바로 세워야 한다.3. 큰 물통에 물을 반쯤 채우고 수면이 잔잔해질 때까지 기다린다.4. 작은 약숟가락으로 송화 가루를 조금 떠서 물통의 가운데 부분에 조심스럽게 뿌려준다. 송화 가루가 물통의 벽에 닿지 않아야 하고, 물통에 원형으로 퍼지도록 해야 한다.5. 0.01~0,02g 정도의 스테아르산을 헥세인 100mL에 녹인 용액을 피펫에 넣어서 한 방울을 송화 가루가 퍼져 있는 한 가운데에 떨어뜨린다. 스테아르산이 퍼지면서 생기는 원형 기름막의 경계면을 쉽게 구별할 수 있을 것이다.6. 원형으로 퍼진 단분자층의 직경을 측정한다. 원형이 아닌 경우에는 대각선 방향의 길이를 여러 번 측정해서 평균값을 얻는다.실험 결과이번 실험에서는 다이아몬드의 밀도를 이용하여 탄소의 몰부피를 알고, 이를 이용해 아보가드로 수를 구하고자 하였다. 피펫의 정확한 보정을 위해 피펫을 기울어지지 않게 하여 30방울을 떨어뜨려 1.00mL에 해당하는 헥세인의 방울 수를 구했다. 이를 이용해 헥세인 한 방울의 부피 을 구하였다. 이후 증류가 채워진 물통에 단층막과의 정확한 경계 구분을 위한 송화가루를 뿌리고, 앞서 헥세인에 녹여진 물통 가운데에 송화가루와 단절된 원이 생기는데, 스테아르산은 친수성, 소수성을 둘 다 가진 양쪽성 물질이므로 비극성인 탄화수소 사슬( CH3(CH2)16-)은 물 위쪽으로 서 있고 극성인 카복실기( -COOH )는 물 안쪽을 향할 것이므로 단분자층이 형성된 것이라 예측할 수 있었다. 자로 측정한 결과, 단층막의 직경은 2cm, 단층막의 넓이는 4cm2가 나왔다. 스테아르산 한 방울의 질량은 0.02g : 100mL = 스테아르산 한 방울의 질량 : mL 이므로 이 나왔다. 그리고 스테아르산 한 방울의 부피는 헥세인 한 방울의 부피와 같으므로 와 같고, 따라서 단층막의 두께는 이다.이 단층막은 탄소 원자 18개가 쌓여 있는 것으로 볼 수 있기 때문에 단층막의 두께를 이용하여 탄소 1개의 크기 을 얻을 수 있었다. 이를 이용해 탄소 원자가 정육면체라고 가정했을 때의 부피, 즉 탄소 원자 하나가 차지하는 부피 을 구할 수 있었다. 다이아몬드는 탄소 원자가 촘촘히 쌓여서 만들어진 것이므로 다이아몬드를 이용해 부피를 측정해보자면, 다이아몬드의 밀도와 탄소의 몰질량을 알고 있으므로 탄소의 몰질량을 다이아몬드의 밀도로 나누어 탄소의 몰부피 도 쉽게 구할 수 있었다. 탄소의 몰부피를 탄소 원자 하나가 차지하는 부피로 나누어 아보가드로 수를 구할 수 있었다.해당 실험의 한계점실험으로 계산한 아보가드로 수와 실제 아보가드로 수를 계산하였더니, 무시 못 할 오차가 있었다. 그 이유로 여러 한계점을 추측해보았다.첫째, 피펫 보정의 부정확성에 있다. 손을 사용해서 피펫에서의 헥세인 방울을 떨어뜨릴 때, 기울기가 정확히 수직일 수 없다는 점이 있다. 살짝이라도 기울어지면 한 방울의 정도는 달라지기 때문이다. 그리고, 피펫을 누를 때의 힘에도 차이가 있다.둘째, 단층막의 넓이의 부정확성에 있다. 단층막이 형성되었을 때, 단층막은 완벽한 원형을 그려내지 못 하였다. 이유는 떨어뜨릴 증류수와 접촉할 때의 물리적 작용이나 주변 기체와의 작용 또는 송화가루에 있다고 추측된다. 그럼에도 불구.셋째, 탄소 원자가 정육면체라는 가정은 가정일 뿐 정확한 측정이라 볼 수 없다.넷째, 탄화수소 사슬( CH3(CH2)16- )의 모양은 나란하지 않지만 나란하다는 가정을 하고 측정을 하였기에 오차가 발생한 것 같다.한계를 극복하는 방법첫째, 피켓 대신 마이크로 피켓이나 뷰렛 등 더욱 정확하고 편리한 장비를 사용한다.둘째, 스테아르산을 떨어뜨릴 때, 최대한 물과 가까이서 떨어뜨리고 물리적 작용을 할 수 있는 요소를 최대한 제거한다. 극단적으로 진공상태에서 실험하면 오차가 꽤 줄지 않을까 생각한다.셋째, 탄화수소 사슬( CH3(CH2)16- )의 모양은 지그재그로 되어있다는데, 이 길이를 18등분 한 것을 기울어있는 각으로 눕혀 제대로 된 탄소 길이를 구할 수 있을 것이다.스테아르산 대신 올레산을 쓰면 어떤 차이가 있을지 극성, 비극성의 측면에서 서술하시오.스테아르산( CH3(CH2)16COOH )과 올레산( CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH )은 모두 탄소 18개를 포함하고 있는 분자이다. 스테아르산은 이중결합이 있고, 올레산은 이중결합이 있는 차이가 있다. 올레산은 이중결합이 있으므로 단일결합인 스테아르산보다 탄소의 결합 길이가 짧을 것이다. 결합 길이가 짧으면 탄소끼리 이루어진 비극성이 짧아져서 물과의 인력이 더 커지므로 실험에서 친수성, 소수성과의 차이가 크게 나타나서 오차가 나올 수 있다.6. 기구 및 시약큰 물통눈금 실린다(10mL)유리 모세관 피펫증류수헥세인스테아르산(Stearic acid, CH3(CH2)16COOH)송화 가루7. 참고 문헌https://www.studocu.com/en-us/document/university-of-chicago/comprehensive-general-chemistry/lab-2-avogadro-s-number-lab/7095397https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1132127&cid=40942&categoryId=32252https://terms.naver.co66
아보가드로 수의 결정 예비/결과 보고서
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