1. 밀도 실험 레포트2. 실험 제목 및 목적Density. 실험실의 기구들의 사용법과 내연장법을 숙지하고 기구들을 검정해 여러 가지 물체들의 질량과 부피를 측정하여 밀도를 계산한다.3. 이론가. 밀도밀도는 물체의 단위 부피당 질량으로 정의된다. 고체나 액체의 밀도는 일반적으로 세제곱센티미터당 그램(g/cm^3) 또는 밀리리터당 그램(g/mL)으로 나타낸다. 물의 밀도는 1.00g/mL로 정의되는데 그 이유는 1g의 최초정의가 특정 온도에서 물 1mL의 질량이기 때문이다.일반적인 물질의 부피는 온도에 영향을 받기 때문에 밀도 또한 온도에 영향을 받는다. 그러므로 실험 시 실험실의 온도를 반드시 기록해야 한다.또한, 물질은 고유한 성질을 가지고 있다. 이러한 성질은 물리적 성질과 화학적 성질로 나뉘는데 밀도는 물질의 속성과 조성을 변화시키지 않고 관찰할 수 있는 물리적 성질에 해당한다. 즉, 밀도는 물질의 고유한 특성이므로 반대로 밀도를 통해 물질을 짐작할 수 있다.1) 물의 밀도대부분의 물질은 가열하면 팽창하고 냉각하면 수축하지만, 물은 다른 양상으로 행동한다. 물이 얼음이 될 때 분자배열이 달라지기 때문이다. 물이 얼음이 되면 규칙적인 육각형의 분자구조를 이루는데 이때 규칙적으로 배열된 물 분자들 사이의 공간이 불규칙하게 배열될 때 보다 넓어진다.물은 100c에서 3.98c까지는 냉각하면 수축하고 3.98c 이하에서는 다시 팽창하기 시작한다. 액체 상태의 물의 밀도는 3.98c에서 최댓값인 1.000g/mL에 도달하고 0c에서 0.99987g/mL까지 감소한다. 얼기 시작하면 밀도는 계속 감소해 0c 얼음에서는 0.917g/mL가 된다.2) 알루미늄의 밀도알루미늄의 밀도의 이론값은 2.70g/mL이다.3) 구 10원 동전의 밀도구 10원 동전은 구리 65%, 아연 35%로 이루어진 황동이다. 따라서 이들의 질량비를 통해 구 10원의 밀도를 계산할 수 있다.구 10원 동전은 총 무게가 4.06g이고, 구리(Cu)의 밀도는 8.96g/cm3, 아연(Zn)의 밀도 치환 합금합금은 치환 합금, 틈새 합금, 불균일 합금, 금속 간 화합물로 나뉘는데 구 10원 동전은 치환 합금에 해당한다. 치환 합금은 고체 용액에서 일반적으로 용매 원자가 차지했던 자리를 용질 원자가 차지하게 되는 금속이다.두 개의 금속 성분이 비슷한 원자 반지름과 화학 결합 특성을 가질 때 치환 합금이 얻어진다. 실제로 아연의 원자 반지름은 약 135 pm이고 구리의 원자 반지름은 약 128 pm이므로 원자 반지름이 비슷하다.마. 측정1) 단위단위는 보편적으로 영국식 단위계와 미터계로 나뉜다. 영국식 단위계는 인치, 피트, 야드를 사용한다. SI 단위계라고도 불리는 미터계는 18세기 후반 프랑스에서 개발되어 현재 대부분에서 사용되고 있다. 미터, 캘빈, 킬로그램 등을 사용한다.2) 내연장법graduated cylinder로 부피를 측정할 때 필연적으로 meniscus가 생긴다. meniscus는 표면장력에 의해 cylinder 벽면이 cylinder 중앙에 비해 곡면을 형성하면서 올라가거나 내려간 형상이다. 부피를 측정할 시 meniscus와 눈높이를 일치시킨 후 곡면의 가장 낮은 바닥면을 읽어야 한다. 물의 경우 가장 오목한 부분을 읽고 수은의 경우는 가장 볼록한 부분을 읽으면 된다. 하지만 모든 실험기구와 마찬가지로 meniscus가 눈금에 정확히 일치하지 않는 경우가 많다. 그런 경우 내연장법을 사용해야 하는데 meniscus가 존재하는 눈금 사이를 가상으로 10등분 하여 눈금을 읽는다. 내연장법은 부피를 측정하는데 매우 중요하다. 내연장법을 통해 읽을 수 있는 유효 숫자가 늘어나므로 실험기구의 검정이 매우 중요하다.3) 측정의 불확실성과학 실험에서 두 종류의 수가 존재한다. 값이 정확한 확정수와 값이 어느 정도 불확실한 불확정수이다. 사람의 수나 동물들의 다리 수와 같이 하나하나 셀 수 있는 값은 확정수이다. 하지만 측정에서 얻는 값들은 항상 불확정수이다. 기기마다 오차가 발생할 수 있고 측정하는 사람마다 값이 다르게 나올 수 있기 때문이다.정확도값과 같은 개수의 유효 숫자를 가져야 한다.사. 오차1) 오차의 종류모든 측정 실험에는 필연적으로 오차가 따른다. 실험 오차는 계통 오차(system error)와 우연 오차(random error)로 나눌 수 있다.계통 오차(system error)는 실험 설계가 잘못되거나 실험기기의 한계로 발생하기 때문에 같은 방법으로 재실험을 하면 같은 계통 오차(system error)를 발견할 수 있다. 즉, 발견하여 보정이 가능하다. 계통 오차(system error)는 항상 하나의 부호를 가지고 있어 방향성이 존재한다.우연 오차(random error)는 측정 시 통제할 수 없거나 통제되지 않은 변수에 의해 발생한다. 계통 오차와 같이 항상 발생하지만, 보정 할 수 없다는 차이점이 있다. 오차의 부호가 바뀔 수 있어 방향성이 없다.4. 실험 장비, 초자 및 시약(MSDS) (Equipment and Chemicals with MSDS, Material Safety Data Sheet)10mL graduated cylinder, Vernier Calipers, 자, 칼, 증류수, foil, 구 10원 동전, 미지액체시약 이름:물, Water, Oxidane화학식: h2o분자량:18.01528 g/mol녹는점:0.00도끓는점:99.98도밀도:(4도)1g/cm3형태: 무색무취주의사항: 물은 수소결합으로 인해 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 표면장력이 크다. 가열 시 용기가 터질 수 있다.graduated cylinder액체의 부피를 측정하는 도구이다. 부피측정에 사용되나 meniscus를 읽을 때 오차가 크기 때문에 액체의 부피를 어림으로 측정한다. graduated cylinder의 측정 범위는 최대 용량의 10%까지 측정할 수 있다.Vernier Calipers길이나 높이 등 기계류의 치수를 정밀하게 측정하는 자의 일종이다. 고정된 어미자와 움직이는 아들자로 구성되어 아들자를 움직여 움직인 길이를 측정한다. 아들자의 눈금은 어미자의 (n+-1)눈금을 n등분한 간격까지 잰다. 이때 전자저울의 눈금이 멈출 때까지 충분히 기다린다.4. Aluminum의 밀도를 이용해 Foil의 두께를 계산한다. (Aluminum의 밀도=2.70g/cm3) 공식 V=at (V=부피, a=표면의 넓이, t=두께)5. 한 변의 길이가 15cm인 정사각형으로 Foil을 잘라 1에서 4의 과정을 반복한다.6. 계산된 두께의 평균값을 구한다.마. 구 10원 동전의 두께 측정1. 구 10원 동전을 휴지로 닦는다.2. Vernier Calipers를 책상 면과 평행하게 두고 구 10원 동전의 지름을 0.01mm까지 측정한다. 이때 구리의 탄성력에 의해 지름이 변할 수 있으므로 동전을 강하게 고정하지 않는다.3. 구 10원 동전의 질량을 0.001g까지 측정한다. 이때 전자저울의 눈금이 멈출 때까지 충분히 기다린다.4. 밀도와 계산된 질량을 통해 두께를 계산한다.( 구 10원 동전의 밀도= 8.226g/cm3, V=ㅠr^2t V:부피, r: 동전의 반지름, t:동전의 두께)5. 1에서 4의 과정을 한 번 더 반복한다.6. 계산된 두 값의 평균값을 구한다.추가실험. 동전의 밀도 측정1. 구 10원 동전의 두께를 Vernier Cailpers로 0.01mm까지 측정한다.2. 구 10원 동전의 지름을 Vernier Cailpers로 0.01mm까지 측정한다.3. 구한 두께와 지름으로 구 10원 동전의 부피를 계산한다. ( V=ㅠr^2t V:부피, r: 동전의 반지름, t:동전의 두께)4. 구 10원 동전을 휴지로 말끔히 닦는다.5. 동전의 무게를 0.001g까지 측정한다.6. 구한 부피와 무게로 밀도를 계산한다. (d=mv d:밀도, m= 질량, v=부피)7. 1에서 6의 과정을 한 번 더 반복한 후 계산된 두 밀도의 평균값을 구한다.6. 참고문헌(Reference)일반화학, Brown 외 5명, 14판, 자유아카데미, 17p, 22p, 26p~29p 522p, 523p일반화학 McMurry 외 2명, 8판, 자유아카데미, 12p, 13p재료과학과 공학 칼리스방울들이 발생했다.미지액체의 밀도 측정 결과1차 측정 8ml2차 측정 9ml10ml Graduated Cylinder의 질량(g)33.431g33.430g(Graduated Cylinder+미지액체)의 질량(g)41.767g42.894g위로부터 계산한 미지액체의 질량(g)8.236g9.464g눈금을 읽은 미지액체의 부피(mL=cm3)7.96ml9.01ml최종 계산한 미지액체의 밀도(g/cm3)1.05g/ml1.05g/ml미지액체의 평균 밀도(g/mL)1.05g/ml계산과정1차 측정: 미지액체의 밀도=미지액체의 질량/미지액체의 부피=(8.236g)/(7.96ml)=1.05g/ml2차 측정: 미지액체의 밀도=미지액체의 질량/미지액체의 부피=(9.464g)/(9.01ml)=1.05g/ml미지액체의 평균 밀도= (1.05g/ml+1.05g/ml)/2=1.05g/ml미지액체의 밀도 측정 관찰1. 스포이트로 미지액체를 Cylinder에 옮기는 과정에서 다수의 기포가 발생했다.2. 미지액체의 meniscus가 증류수와는 미세하게 다른 곡률을 보였다.Aluminum Foil의 두께 측정 결과1차 측정2차 측정정사각형으로 자른 Foil의 면적(cm2)100cm2225cm2자른 Aluminum Foil의 질량(g)0.390g0.866g밀도를 이용하여 계산한 Foil의 부피(ml=cm3)0.144cm30.320cm3계산한 Foil의 두께(cm)0.001cm0.001cm계산한 Foil의 평균 두께(cm)0.001cm필요한 수식 및 결과처리: V=at이므로 t=V/a 이다.계산과정1차 측정: Foil의 부피= Foil의 질량/Foil의 밀도=(0.390g)/(2.70g/cm3)=0.144cm3Foil의 두께=Foil의 부피/Foil의 면적= (0.144cm3)/(100cm2)=0.001cm2차 측정: Foil의 부피= Foil의 질량/Foil의 밀도=(0.866g)/(2.70g/cm3)=0.320cm3Foil의 두께=Foil의 부피/Foil의 면적= (0.320cm3)/(225cm2
