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재결정 결과레포트

결과레포트실험제목 :재결정 및 분별결정1. AbstractH_3 BO_3와NaC`l이 용해되어있는 혼합용액으로부터 각각의 용질을 분리하고 수득률을 계산하기 위해 본 실험을 진행하였다. 먼저H_3 BO_3는 온도에 따른 용해도 차이가 크므로 용액을 냉각시켜 용질을 석출하였다. 칠러에 의해 용액이 냉각되면서 결정이 형성된 용액을 감압 여과 장치에 부어 결정만을 분리하였다. 결정을 분리한 후 여과된 용액에는NaC`l이 용해되어있으며 이를 가열하면서 용매를 증발시켰다. 용매의 증발로 용액의 부피가 감소하면서 용해도가 감소하여NaC`l의 결정이 석출되었고 이를 다시 감압 여과 장치에 부어 결정만 분리하였다. 분리한 결정을 건조하여 각각의 질량을 측정하고 이를 통해 수득량과 수득률을 계산하였다.실제 수득량과 이론적인 수득량으로 수득률을 계산한 결과,H_3 BO_3는 119.3%,NaC`l은 152.8%로 모두 100%보다 큰 값이 얻어졌다. 수득률은 100%보다 작은 값이 얻어져야 하므로 이러한 결과에 영향을 준 여러 오차 원인들에 대해 고찰하였다.2. Experiment(1) 실험 기구① 뷰흐너 깔때기 (Buchner funnel)② 여과지 (Filter paper)③ 감압 플라스크 (Suction flask)④ 진공 펌프⑤ 알코올 램프⑥ 칠러⑦ 온도계(2) 시약Table 1. 실험 시약시약염화나트륨 (NaC`l)붕산 (H_3 BO_3)분자량 (g/mol)58.4461.83비중 (g/cm^3)2.161.4녹는점 (℃)801171용해도 (g/100ml H_2 O)36 (25℃)5.7 (25℃)역할용해도 차이로 인해 붕산과 분리용해도 차이로 인해 염화나트륨과 분리경고 표지(3) 실험 방법[ⅰ] 장치 설치① 칠러의 온도를 4℃로 설정한다.② 감압 플라스크 위에 뷰흐너 깔때기를 결합하고 뷰흐너 깔때기의 여과면에 여과지를 밀착시킨다. 소량의 증류수를 넣어주어 여과지를 잘 밀착시킨다.③ 진공 펌프의 고무관을 감압 플라스크에 연결한다.Figure 2. 감압 장치Figure 1. 칠러 온도 설정[ⅱ] 용액 준비① 용액 제조에 필요한 시약인H_3 BO_3와NaC`l을 각각 20g씩 준비한다.Figure 3. 실험 시약Figure 4. 시약 질량 측정② 증류수 100g을 넣은 비커에H_3 BO_3 20g과NaC`l 20g을 넣고 80℃ 이상이 될 때 까지 가열하며 용질을 모두 용해시킨다. 유리막대로 용액을 저어가며 잘 용해될 수 있도록 한다.Figure 5. 용액 제조[ⅲ] 분별결정① 가열이 끝난 비커는 상온에서 식힌 후 4℃로 조절한 칠러에 넣어 20℃까지 냉각 시킨다. 용액이 냉각되는 동안 결정이 잘 형성될 수 있도록 3-4분간 비커를 흔들어 준다. 용액이 냉각되면서H_3 BO_3 침전물이 형성된다.Figure 6. 칠러를 이용해 용액 냉각Figure 7. 감압 장치로 침전물 여과②H_3 BO_3을 거른 후 감압 플라스크에 남아있는 용액 중 40ml를 비커에 옮겨 가열 한다. 비커 내 용액이 증발하면서 부피가 1/4 정도로 줄어들면NaC`l 결정이 석출 된다. 석출된 결정은 감압 장치를 이용하여 여과한다.Figure 8. 가열을 통한 용질 석출③ 건조기를 이용해 실험을 통해 얻은H_3 BO_3와NaC`l 결정을 건조한 후 건조된 결정의 질량을 측정한다.Figure 10. 건조된 결정Figure 9. 석출된 결정 건조Figure 11. 질량 측정Figure 12. 질량 측정④ 이론적인 수득량과 실제 수득량을 바탕으로 수득률을 계산한다.3. Result & Discussion(1) Result[ⅰ] 실제 수득량100g의 증류수에H_3 BO_3와NaC`l을 각각 20g씩 넣고 용해하여 용액을 제조하였다. 제조한 용액을 분별결정하여 각각의 시약을 분리해냈으며, 건조기를 이용해 건조한 후 측정한 질량은 다음과 같다.Table 2. 와 의 수득량 (g)질량 (g)H_3 BO_3NaC`l비커 + 결정136.44482.578비커118.54475.949결정 (수득량)17.96.63[ⅱ] 이론적인 수득량실험을 통해 구한 실제 수득량과 각 물질의 용해도를 바탕으로 이론적인 수득량을 계산한다. 온도에 따른 물질의 용해도는 다음과 같다.Table 3. 화합물의 온도에 따른 용해도 변화 (g/100g )온도 (CENTIGRADE )H_3 BO_3NaC`l02.6635.7205.0436.0408.7236.66014.8137.38023.7538.410040.2539.8①H_3 BO_3H_3 BO_3은 온도에 따른 용해도 차이가 크므로 냉각을 통해 결정을 석출하였다. 실험에서 80℃까지 가열한 혼합 용액을 20℃로 냉각시켜 결정을 석출했으므로 80℃와 20℃ 에서의 용해도를 이용해 이론적인 수득량을 구할 수 있다.H_3 BO_3의 용해도는 80℃에서 23.75g/100gH _{2} O, 20℃에서 5.04g/100gH _{2} O이다. 처음 증류수에 용해시킨H_3 BO_3는 20g이었으며 20℃로 냉각시켰다. 따라서 이론적인 수득량은20g`-`5.04g`=`14.96g 이다.②NaC`lNaC`l은 온도에 따른 용해도 차이가 작아 냉각을 통한 결정 석출이 어렵다. 또한NaC`l의 용해도는 0℃의 낮은 온도에서도 35.7g/100gH _{2} O로 처음 용해시킨 질량인 20g보다 크므로 냉각을 통해 결정이 석출되지 않는다. 따라서H_3 BO_3를 여과한 후 남아있는 용액을 가열하여 용매를 증발시키는 방식으로 결정을 석출하였다.여과 후 남은 용액 중 40ml만을 취하여 가열했으며, 초기 100ml 증류수에 20g의NaC`l을 용해시켰으므로 40ml의 용액에는 8g의NaC`l이 용해되어있을 것이다. 이 용액을 40℃ 이상으로 가열하여 용매를 증발시키고, 부피가 약 1/4로 줄어들었을 때 가열을 멈췄다. 증발 후 용액의 부피는 측정하지 못했지만 1/4로 감소한 10ml라고 가정하였으며 가열 후NaC`l을 여과한 온도 역시 측정하지 못했지만 40℃라고 가정하였다.NaC`l의 용해도는 40℃에서 36.6g/100gH _{2} O이며 실험에서는 용매를 증발시켜 용액의 부피가 10ml로 감소하였으므로 이때의 용해도는 3.66g/10gH _{2} O이다. 용매를 증발시키기 전 40ml의 용액에는 8g의NaC`l이 용해되어있었으므로 이론적인 수득량을 계산하면8g`-`3.66g`=`4.34g 이다.[ⅲ] 수득률앞서 구한 실제 수득량과 이론적인 수득량을 정리하면 다음과 같다.Table 4. 와 의 수득량 (g)질량 (g)H_3 BO_3NaC`l실제 수득량17.96.63이론적인 수득량15.04.34수득률은 실제 수득량과 이론적인 수득량의 비로 식 (1)과 같이 계산할 수 있다.수득률`(%)`=` {실제```수득량} over {이론적인```수득량} ` TIMES 100`(%) …(1)위 식을 이용하여H_3 BO_3와NaC`l의 수득률을 구하면 다음과 같다.Table 5. 와 의 수득률 (%)H_3 BO_3NaC`l수득률 (%)119.3152.8(2) Discussion실험을 통해 분별결정으로 석출한H_3 BO_3와NaC`l의 수득률을 계산해보았다. 두 용질의 수득률이 모두 100%보다 큰 값으로 얻어져 예비 레포트에서 예상한 결과와는 달리 실제 수득량이 이론적인 수득량보다 크다는 결론이 도출되었다. 수득률은 일반적으로 100% 이하의 값으로 얻어지며 완전한 결정화가 이루어질수록 큰 값을 나타내는데, 모두 100% 보다 큰 값이 얻어졌으므로 이러한 결과는 실험 과정 중 미흡했던 부분으로 인해 나타난 오차라고 볼 수 있다. 따라서 오차의 원인으로 작용한 문제점들을 알아보기 위해 이에 대해 고찰하였다.① 수분을 함유한 결정석출된 결정은 건조기를 이용해 건조한 후 그 질량을 측정하였다. 그러나 결정 석출 후 약 24시간의 짧은 시간 동안만 건조를 진행하여 결정 내 수분이 완전히 제거되었다고 보기 어렵다. 이러한 이유로 실제 수득량에 결정 질량과 수분의 질량이 함께 측정되면서 수득률이 100%보다 크게 얻어졌을 수 있을 것이다. 이를 개선하기 위해서는 좀 더 긴 시간 건조를 진행하여 결정 내 수분을 완전히 제거한 후 질량을 측정해야 할 것이다.② 용액 제조 과정에서 용매의 증발초기에 증류수에 붕산과 염화나트륨을 용해시켜 용액을 제조하는 과정이 오래 걸리면서 용액을 긴 시간 가열하였다. 이때 가열 중인 비커에 랩을 씌워두지 않아서 용매가 증발하여 용액의 부피가 감소하는 것이 육안으로도 확인되었다. 그러나 붕산의 이론적인 수득량은 100g의H _{2} O에 대한 용해도를 사용했으므로 부피의 차이로 인한 오차가 발생했을 것이다. 이를 개선하기 위해서는 초기에 용액을 제조할 때 랩을 씌워서 가열해야 할 것이다.③ 부정확한 부피의 가정염화나트륨은 용액의 용매를 증발시켜 부피에 변화를 줌으로써 결정을 석출하였다. 이때 염화나트륨이 용해되어있는 용액 40ml를 취하여 가열하였고 부피가 약 1/4로 감소했을 때 결정을 여과하였다. 그러나 가열 후 부피가 실제로 40ml의 1/4인 10ml인지는 측정하지 않았으므로 정확히 알 수 없었다. 이는 단순히 가정한 값이기 때문에 실제로 10ml가 아니었을 수 있으며, 용액의 부피에 따라 용해도가 달라지므로 이러한 가정이 오차의 원인이 되었을 수 있다.

공학/기술| 2021.09.09| 10페이지| 3,000원| 조회(219)

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단증류 결과레포트

결과레포트실험제목 :단증류1. Abstract물과 에탄올의 비등점(끓는점) 차이를 이용하여 에탄올 수용액으로부터 에탄올을 증발시킨 후 응축해 분리해내기 위해 단증류 실험을 진행하였다. 단증류 이후 잔류액과 유출액의 질량 및 조성을 구하고, Rayleigh 식을 이용해 유출액의 평균조성을 구한 후 실험값과 이론값을 비교하기 위해 오차율을 계산하였다.먼저 비중병과 증류수를 이용해 사용하는 비중병의 부피를 측정한다. 같은 비중병으로 사용하는 에탄올 용액의 실제 조성을 측정한 후 20%와 40%의 에탄올 수용액을 제조해 마찬가지로 실제 조성을 측정한다. 단증류 실험장치를 설치하고 제조한 수용액 중 200ml를 둥근 플라스크에 넣어 Heating mantle 위에 올린다. 80℃로 유지하면서 실험을 진행하면 에탄올 수용액에서 에탄올 성분만 증발되고 이는 냉각기를 지나면서 응축되어 삼각 플라스크로 유출된다. 실험이 끝나면 상온으로 식힌 잔류액과 유출액의 질량을 측정하고 비중병을 이용해 각각의 밀도 및 조성을 구한다.실험 결과, 에탄올 수용액의 조성이 20%일 때 보다 40%일 때 더 정확한 결과값이 얻어졌음을 알 수 있었다. 이는 유출액 조성으로 구한 오차율을 통해서도 확인할 수 있는데, 20%와 40% 수용액에서의 오차율은 각각 44.96%와 2.94%로 40% 수용액에 비해 20% 수용액의 결과에 매우 큰 오차가 있었음을 알 수 있다. 또한 20%와 40% 수용액에서의 비휘발도 역시 0.914와 0.979로 40%의 경우가 더 큰 것을 통해 에탄올의 조성이 클수록 단증류를 통한 에탄올의 증류가 용이하다는 것을 생각해볼 수 있다.유출액 조성의 실험값과 이론값에서 큰 오차가 발생하고 단증류 실험 중에 에탄올 수용액 및 에탄올의 손실량이 발생하는 원인에 대해 고찰해 보았으며 에탄올의 증발 및 연결 부위를 통한 손실, 부정확한 온도 및 질량 등으로 생각해볼 수 있다. 또한, 이론값을 계산하는 과정에서 조성에 따른I 값의 그래프는 정확한 값을 알 수 없으며 그저 추측해야 하므 후 40% 에탄올 수용액으로 같은 과정을 반복한다.② 고무 셉터로 둥근 플라스크의 양쪽 입구를 막는다.③ Heating mantle에 둥근 플라스크를 올려놓는다.④ 사용하는 기구의 모든 접합 부위를 테플론 테이프로 감싼다. 추가로 연결 부위의 외부를 파라필름으로 감싸주어 연결 부위에서의 기체 손실을 감소시킨다.Figure 7. Heating mantleFigure 8. 접합 부위 테플론 테이프 처리⑤ 둥근 플라스크의 가운데 입구에 연결 어댑터의 아래쪽을 연결한다.⑥ 연결 어댑터의 위쪽에는 온도계가 부착된 관을 연결하며, 이때 온도계의 끝부분을 연결 어댑터의 중앙에 위치시킨다.⑦ 연결 어댑터 중앙의 관에는 리비히 냉각기를 연결한다. 연결한 냉각기는 클램프로 고정시킨다. 본 실험에서는 실험시간의 단축을 위해 일자형의 관을 사용하였다.⑧ 리비히 냉각기의 반대편 끝부분에 소뿔형 어댑터를 연결한다.⑨ 파라필름으로 입구를 막은 삼각 플라스크에 구멍을 내어 소뿔형 어댑터를 연결한다.⑩ 수도와 연결된 호스를 리비히 냉각기의 아래쪽에 연결하여 냉각수가 공급될 수 있도록 한다. 아무것도 연결되지 않은 호스는 냉각기의 위쪽에 연결하여 물이 배출 될 수 있도록 한다.Figure 9. 연결 어댑터 연결Figure 10. 단증류 실험 장치[ⅳ] 단증류 실험① Heating mantle의 전원을 켜고 온도를 100℃로 설정한다.② 호스가 연결된 수도를 열어 냉각수를 흘려보낸다.③ 둥근 플라스크에 연결된 온도계가 80℃를 유지하도록 온도를 조절하면서 가열한다.④ 둥근 플라스크에 있던 용액의 절반이 증발해 유출액으로 나오면 가열을 중지한다.Figure 12. 유출액 배출Figure 11. 호스를 통한 냉각수 공급 및 배출⑤ 둥근 플라스크에 연결된 온도계가 상온으로 식을 때까지 기다린다.⑥ 온도가 내려가면 수도를 잠궈 냉각수의 흐름을 차단한다.⑦ 리비히 냉각기를 고정하던 클램프를 푸르고 냉각기를 기울여 잔류 용액을 삼각 플라스크로 흘려보낸다. 모든 연결 부위를 조심히 분리한다.⑧ 상온까지 표를 통해 에탄올의 조성이 94%와 95% 사이임을 알 수 있으며 식 (3)과 같이 내삽을 하여 조성을 구한다.Table 5. 에탄올의 조성에 따른 밀도 (15℃)에탄올 조성에탄올 밀도94%0.81134X0.810895%0.80852{95-94} over {0.80852-0.81134} = {X-94} over {0.8108-0.81134}```,```X=94.2 …(3)[ⅲ] 에탄올 수용액 제조① 20% 에탄올 수용액 300ml 제조(1) 에탄올의 밀도 : 밀도표에서 15℃, 20%에서의 밀도를 찾으면 0.97068g/ml이다.(2) 20% 에탄올 수용액 300ml의 질량 = 에탄올 밀도 x 에탄올 수용액 부피 (300ml)※ 이때, 에탄올의 밀도에는 20% 에탄올의 밀도를 대입한다.(3) 수용액에 필요한 에탄올의 질량 = (20% x 에탄올 수용액의 질량) / 에탄올의 조성※ 이때, 에탄올의 조성에는 실험에 사용하는 에탄올 용액의 실제 조성을 대입한다.(4) 수용액에 필요한 에탄올의 부피 = 에탄올의 질량 / 에탄올의 밀도※ 이때, 에탄올의 밀도에는 실험에 사용하는 에탄올 용액의 밀도를 대입한다.(5) 수용액에 필요한 증류수의 질량 = 수용액의 질량 - 에탄올의 질량(6) 수용액에 필요한 증류수의 부피 = 증류수의 질량 / 증류수의 밀도(7) 에탄올 수용액 제조 : 에탄올 (4에서 구한 부피) + 증류수 (6에서 구한 부피)② 40% 에탄올 수용액 300ml 제조(1) 에탄올의 밀도 : 밀도표에서 15℃, 40%에서의 밀도를 찾으면 0.93882g/ml이다.(2) 40% 에탄올 수용액 300ml의 질량 = 에탄올 밀도 x 에탄올 수용액 부피 (300ml)※ 이때, 에탄올의 밀도에는 40% 에탄올의 밀도를 대입한다.(3) 수용액에 필요한 에탄올의 질량 = (40% x 에탄올 수용액의 질량) / 에탄올의 조성※ 이때, 에탄올의 조성에는 실험에 사용하는 에탄올 용액의 실제 조성을 대입한다.(4) 수용액에 필요한 에탄올의 부피 = 에탄올의 질량 / 에탄올의 밀도※액 밀도잔류액 실제 조성잔류액 질량잔류액 내 에탄올 질량20% 수용액0.9869g/ml5.79%147.7g8.55g3. 유출액 (25℃)(1) 유출액의 밀도 = [(비중병 + 유출액) - 비중병] / 비중병 부피(2) 유출액의 실제 조성 : 밀도표에서 근접한 밀도값을 찾은 후 식 (6)과 같이 내삽해 유출액의 실제 조성을 구한다.Table 11. 에탄올의 조성에 따른 밀도 (25℃)에탄올 조성에탄올 밀도64%0.87763X0.875365%0.87527{65-64} over {0.87527-87763} = {X-64} over {0.8753-0.87763} ```,```X=65.0 …(6)(3) 유출액의 질량 = (삼각 플라스크 + 유출액) - (삼각 플라스크)(4) 유출액 내 에탄올 질량 = 유출액의 질량 x 유출액의 실제 조성Table 12. 유출액의 밀도, 실제 조성 및 에탄올 질량유출액 밀도유출액 실제 조성유출액 질량유출액 내 에탄올 질량20% 수용액0.8753g/ml65.0%40.676g26.4g수용액의 질량에서 잔류액과 유출액의 질량을 빼주어 단증류 과정에서의 총 손실량을 구하고, 수용액 내 에탄올의 질량에서 잔류액과 유출액 내 에탄올의 질량을 빼주어 단증류 과정에서 손실된 에탄올의 질량까지 구해 앞서 구한 모든 결과값을 정리하였다.Table 13. 20% 에탄올 수용액의 결과표 측정값수용액잔류액유출액손실비중병 + 용액 질량 (g)64.39664.89461.001-빈 플라스크 질량 (g)344.905130.399-플라스크 + 용액 질량 (g)537.250492.570171.075-밀도 (g/ml)0.97260.98690.8753-플라스크 내 용액의 질량 (g)192.345147.66540.6764.004조성 (%)18.45.7965.0-용액 내 에탄올 질량 (g)35.48.5526.40.45② 40% 에탄올 수용액1. 수용액 (15℃)(1) 수용액의 밀도 = [(비중병 + 수용액) - 비중병] / 비중병 부피(2) 수용액의 실제 조성 : 밀도표에서 근의 실제 조성Table 19. 유출액의 밀도, 실제 조성 및 에탄올 질량유출액 밀도유출액 실제 조성유출액 질량유출액 내 에탄올 질량40% 수용액0.8493g/ml75.8%35.4g26.8g수용액의 질량에서 잔류액과 유출액의 질량을 빼주어 단증류 과정에서의 총 손실량을 구하고, 수용액 내 에탄올의 질량에서 잔류액과 유출액 내 에탄올의 질량을 빼주어 단증류 과정에서 손실된 에탄올의 질량까지 구해 앞서 구한 모든 결과값을 정리하였다.Table 20. 40% 에탄올 수용액의 결과표 측정값수용액잔류액유출액손실비중병 + 용액 질량 (g)63.34463.88160.094-빈 플라스크 질량 (g)376.780130.399-플라스크 + 용액 질량 (g)562.300526.600165.800-밀도 (g/ml)0.94250.95790.8493-플라스크 내 용액의 질량 (g)185.520149.82035.4010.30조성 (%)38.125.775.8-용액 내 에탄올 질량 (g)70.6838.5026.835.35[ⅴ] 이론값과 실험값 비교① 유출액의 평균조성 - 실험값실험을 통해 구한 유출액 조성의 실험값은 앞서 구해 Table 13과 20에 정리했으며 다음고 같다.Table 21. 유출액의 조성유출액의 조성20% 수용액65.0%40% 수용액75.8%② 유출액의 평균조성 - 이론값예비 레포트에 언급했듯이 유출액의 평균조성을 구하는 식은 다음과 같다.x _{D`a`v}`=` {W _{1} x _{1} -W _{2} x _{2}} over {W _{1} -W _{2}} …(10)계산에 필요한 각각의 값들은 Table 13과 20으로부터 알 수 있다.유출액 조성의 이론값을 구하기 위해 본 실험에서는 이론적인 잔류액의 질량을 이용할 것이다. Rayleigh 식으로부터 유도된 식 (11)과 에탄올의 조성에 따른 도식 적분 값의 그래프인 Figure 13을 이용하면 이론적인 잔류액의 질량을 구할 수 있다.lnW _{2} =lnW _{1} -I _{1} +I _{2} …(11)W_1 : 수용액의

공학/기술| 2021.09.09| 18페이지| 3,000원| 조회(356)

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상평형도 결과레포트

결과레포트실험제목 :삼각도를 이용한 상평형도1. Abstract본 실험은 Acetone-Toluene-증류수의 3성분계에 대한 상평형도를 그리기 위해 진행되었다. 먼저 10, 25, 40, 60%의 Acetone-증류수, Acetone-Toulene 수용액을 제조한 후 이를 각각 Toluene과 증류수로 적정하였다. 적정 과정에서 백탁 현상이 발생하는 지점에서의 적정량을 기록하고 이를 이용해 혼합 용액에서 각 성분의 조성을 구하였다. 이 결과를 3성분계의 상평형도에 나타내고 대응선과 상 경계 곡선을 그려 이론적인 상평형도와 비교해보았다.실험 결과, 수용액에서 Acetone의 농도가 증가할수록 이와 잘 섞이는 Toluene과 증류수의 적정량이 증가하였다. 또한 대응선의 높이는 Toluene이 위치한 왼쪽이 더 높게 나타났는데 이는 Acetone에 대한 Toluene의 용해도가 증류수보다 크기 때문으로 이론적인 상평형도에 나타나는 것과 같은 개형이다. 따라서 전체적으로 실험이 잘 진행되었다고 볼 수 있지만, 상 경계 곡선의 개형이 이론적인 개형과는 약간 차이가 있었으며 대응선의 기울기 역시 이론적인 기울기보다 완만하다는 차이점이 존재했다. 이는 실험 과정에서의 문제점들로 인한 오차의 결과로 볼 수 있으며 이러한 오차의 원인들에 대해 고찰해보았다.2. Experiment(1) 실험 기구① 마이크로피펫② 매스 실린더③ 항온조④ Voltex mixer⑤ 50ml Conical Tube(2) 시약Table 1. 실험 시약시약아세톤 (CH _{3`} CO`CH _{3})톨루엔 (C_6 H_5`CH_3)분자량 (g/mol)58.0892.141비중 (g/cm^3)0.7845 (25℃)0.87 (20℃)녹는점 (℃)-94.7-95끓는점 (℃)56.05111역할Acetone-Toluene계 용액과 Acetone-증류수 계 용액 제조Acetone-Toluene계 용액 제조, Acetone-증류수 계 용액에 적정경고 표지(3) 실험 방법[ⅰ] Acetone-증류수 상호용해도 측정① 한다. 이는 등온 조건을 맞춰주기 위함이다.Figure 3. 항온조에 아세톤 수용액 보관③ 용액의 온도가 일정하게 유지되면 항온조에서 꺼낸 후 마이크로피펫을 이용하여 톨루엔으로 적정한다. 0.01ml씩 적정할 때마다 Voltex mixer로 용액을 혼합하며 처음으로 백탁 현상이 생기는 지점에서의 적정량을 기록한다.※ 백탁의 기준은 관찰자마다 다르므로 10% 아세톤 수용액에서 발생한 백탁 현상 의 정도를 기준으로 하여 처음으로 백탁 현상이 생기는 지점을 확인한다.※ Voltex mixer로 용액을 혼합한 후 기포가 가라앉을 때까지 기다린 후 백탁 현상 발생 여부를 확인해야 한다.Figure 4. Voltex mixer로 용액 혼합Figure 5. 백탁 현상 발생[ⅱ] Acetone-Toluene 상호용해도 측정① 아세톤과 톨루엔을 일정량 혼합하여 농도가 10, 25, 40, 60wt% 인 아세톤 수용액 20g을 제조한 후 50ml Conical tube에 넣는다. [ⅰ]-① 에서와 마찬가지로 수용액 제조에 필요한 용액의 질량을 부피로 환산한 후 마이크로피펫을 이용하여 정량한다.② 제조한 아세톤 수용액은 50ml Conical tube에 넣은 후 뚜껑을 닫고 25℃로 설정한 항온조에 보관한다.③ 용액의 온도가 일정하게 유지되면 항온조에서 꺼낸 후 마이크로피펫을 이용하여 증류수로 적정한다. 0.01ml씩 적정할 때마다 Voltex mixer로 용액을 혼합하며 처음으로 백탁 현상이 생기는 지점에서의 적정량을 기록한다.④ 적정량을 바탕으로 3성분의 혼합 용액 조성을 구하고 이를 삼각도에 나타내어 상 경계선을 그린다.3. Result & Discussion(1) Result[ⅰ] 아세톤 수용액 제조아세톤 수용액은 질량퍼센트(wt%)를 기준으로 10, 25, 40, 60%의 용액을 제조했으며정확한 정량을 위해 질량을 부피로 환산하였다.실험실 내 온도를 20℃라고 가정했을 때 각 용액의 밀도는 Table 2와 같다. 질량을 밀도로 나누어주면 부피 값을 얻을 수 있으므로 수용415.171증류수18.03215.02712.0228.014② Acetone-Toluene 용액 제조Table 5. 수용액 제조에 필요한 Acetone과 Toluene의 양 (g)조성 (wt%)10254060Acetone25812Toluene1815128Table 6. 수용액 제조에 필요한 Acetone과 Toluene의 양 (ml)조성 (wt%)10254060Acetone2.5286.32110.11415.171Toluene20.76117.30113.8409.227[ⅱ] 아세톤 수용액 적정량아세톤과 증류수, 아세톤과 톨루엔을 혼합해 제조한 수용액에 각각 톨루엔과 증류수를 백탁 현상이 생기는 지점까지 적정한 양은 다음과 같다. 아세톤 수용액 제조에 사용한 아세톤과 증류수, 아세톤과 톨루엔은 서로 잘 섞이지만, 증류수와 톨루엔은 잘 섞이지 않으므로 적정 시 상의 분리가 일어나면서 경계가 생긴다. 이렇게 상이 분리되기 직전까지 백탁 현상이 생기게 된다.① Acetone-증류수 용액에 Toluene 적정Table 7. 수용액에 적정한 Toluene의 양 (ml)조성 (wt%)10254060Toluene0.080.100.241.28적정량을 바탕으로 3성분 혼합용액의 질량퍼센트(wt%) 조성을 구해야 하므로 적정한 톨루엔의 양을 질량 단위로 환산해준다. Table 2에 언급한 밀도를 이용해 환산한다.Table 8. 수용액에 적정한 Toluene의 양 (g) & 용액의 총량 (g)조성 (wt%)10254060Acetone25812증류수1815128Toluene0.069360.08670.208081.10976총량20.0693620.086720.2080821.10976② Acetone-Toluene 용액에 증류수 적정Table 9. 수용액에 적정한 증류수의 양 (ml)조성 (wt%)10254060증류수0.160.200.381.08위와 같이 밀도를 이용해 적정한 증류수의 양을 질량 단위로 환산해준다.Table 10. 수용액에 적정한 증류수의 양 (g) & 용액의 총량 (g)조성tone9.9724.8939.5956.85증류수89.6974.6859.3837.90Toluene0.350.431.035.26총량100100100100② Acetone-Toluene 용액에 증류수 적정한 혼합 용액Table 12. 증류수를 적정한 혼합 용액의 성분별 조성 (wt%)조성 (wt%)10254060Acetone9.9224.7539.2656.93Toluene89.2974.2658.8837.95증류수0.790.991.865.11총량100100100100[ⅳ] 3성분계의 상평형도3성분계의 상평형도인 삼각도의 세 꼭짓점에 세 가지 성분을 위치시킨다. 이때, 증류수와 톨루엔 모두와 잘 섞이는 성분인 아세톤은 삼각도 위의 꼭짓점에 위치시키고, 서로 잘 섞이지 않는 성분인 톨루엔과 증류수는 삼각도 밑변의 꼭짓점에 위치시킨다.Figure 6. 삼각도 조성 표시 과정 Table 11과 12에 정리한 혼합용액의 성분별 조성을 삼각도에 표시한다. 예시로 Table 11의 60% 용액에서 아세톤, 증류수, 톨루엔의 조성에 대해 다음과 같이 삼각도에 표시하였다.이와 같은 방법으로 모든 조성에 대해 삼각도에 표시하면 다음과 같다.Figure 7. 삼각도 조성 표시Acetone-증류수 용액에 Toluene을 적정한 혼합 용액의 조성은 삼각도의 오른쪽에 그려지며, Acetone-Toluene 용액에 증류수를 적정한 혼합 용액의 조성은 삼각도의 왼쪽에 그려진다. 적정하는 Toluene과 증류수는 모두 Acetone과 잘 섞이는 용액이므로 수용액 내 Acetone의 농도가 증가함에 따라 적정량 역시 증가하였다.삼각도에 표시한 조성들의 점을 이어 대응선과 상 경계 곡선을 그려주면 다음과 같다.증류수와 톨루엔의 조성이 100%인 점을 추가로 표시해 상 경계 곡선을 완성하였다.Figure 8. 3성분계 상평형도Figure의 삼각도에서 대응선을 살펴보면, 왼쪽에 위치한 조성의 점들이 더 높아 대응선의 왼쪽부분이 더 높게 그려지는 것을 확인할 수 있다. 이는 Acetone에 대한 Toluenne의 상호용해도를 각각 측정한 후 Acetone-Toluene-증류수 3성분의 상평형도를 그려보았다. 그 결과 Figure 8과 같이 그려졌으며 대응선과 상 경계 곡선의 개형이 이론적인 상평형도와 유사하는 것을 통해 실험이 잘 진행되었음을 알 수 있었다.Figure 9. 이론적인 3성분계 상평형도그러나 위의 실제 이론적인 상평형도와 비교해보면 개형 이외의 구체적인 값에 있어서는 차이가 있으며 이는 실험 과정에서의 문제로 발생한 오차의 결과라고 생각할 수 있다. 따라서 오차의 원인으로 작용한 문제점들을 알아보기 위해 이에 대해 고찰하였다.① 부정확한 백탁 현상 판단본 실험은 수용액에 각각 잘 섞이지 않는 용액을 적정하면서 상의 분리가 일어나는 지점에서의 백탁 현상을 관찰함으로써 적정량을 측정하였다. 실제로는 상의 분리가 일어나는 순간에서의 적정량을 기록해야 하지만 백탁 현상을 확인하는 기준은 관찰하는 사람마다 다르므로 10% 아세톤 수용액에서 발생한 백탁 현상의 정도를 기준으로 하여 백탁 현상이 처음으로 발생하는 지점에서의 적정량을 기록하였다. 그러나 기준을 정해두었어도 이 역시 육안으로 관찰하는 것이기 때문에 부정확할 수밖에 없었다.② 유지되지 않은 등온 조건본 실험은 등온, 등압 조건을 가정하고 진행했으며 등온 조건을 맞춰주기 위해 제조한 아세톤 수용액을 항온조에 보관하였다. 그러나 수용액을 적정하기 위해 항온조에서 꺼내 실험을 진행했으며 이 과정은 완전한 등온 조건으로 진행되었다고 보기 어렵다. 또한, 적정에 사용하는 용액은 항온조에 보관하지 않았으므로 같은 온도로 맞추지 못했다. 이러한 이유로 등온 조건이 유지되지 않아 실험 결과에 영향을 주었을 것이다.③ 부족한 실험 결과본 실험에서는 4가지 농도의 아세톤 수용액을 이용해 적정량을 측정하였다. 그러나 실험 결과를 이용해 그린 Figure 8과 이론적인 상평형도인 Figure 9를 비교해보면 Figure 8의 상 경계 곡선을 그리는 데 필요한 조성의 값이 Figure 9에 비해 부족한 것을 확인할 수 있.

공학/기술| 2021.09.09| 12페이지| 3,000원| 조회(227)

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열교환기 결과레포트

결과레포트실험제목 :이중관 열교환기1. Abstract본 실험은 이중관 열교환기의 내관과 외관에 각각 냉수와 온수를 흘려보내고 유체의 흐름을 병류와 향류로 조절하여 냉수의 유량에 따른 각 유체의 입출구 온도를 측정함으로써 열교환기에서의 열교환량과 총괄 열전달 계수 및 효율을 계산하기 위해 진행되었다. 실험 결과, 유량이 증가함에 따라 열교환기의 효율이 더 높게 나타났다. 그러나 이론과는 다르게 냉수의 유량이 6LPM 이하일 때는 병류일 때의 효율이 향류일 때보다 더 높게 나타났다. 이는 열교환기가 완벽하게 단열되지 않았으며 정상상태에 도달하지 못한 상태에서 온도를 측정함으로써 발생한 오차라고 생각된다.2. Experiment(1) 실험 기구Figure 1. 이중관 열교환기① 이중관 열교환기(2) 실험 방법① 이중관 열교환기 하단에 있는 항온조에 물을 3/4 정도 채우고 보일러 스위치를 켠 후 온수 온도 조절 장치로 설정 온도를 70℃에 맞춰 가열한다.Figure 2. 항온조에 물 채우기② 온수 온도가 설정 온도에 도달하면 항온조에 냉수가 유입되지 않도록 유량계 아래 있는 밸브를 잠가준다.Figure 3. 설정 온도 (70℃) 도달Figure 4. 유량계 아래 밸브 잠그기③ 수도를 열어 냉수를 공급하고 냉수 유량계의 밸브를 돌려 유량을 조절한다.④ 온수 펌프의 스위치를 켜고 온수 유량계의 밸브를 돌려 유량을 조절한다.⑤ 유체의 흐름이 병류가 되도록 흐름 조절 밸브를 맞춘다.※ 밸브를 조절할 때 닫혀있는 밸브를 먼저 열고, 열려 있는 밸브를 닫아야 한다.열려있는 밸브를 먼저 닫으면 관이 터질 수 있기 때문이다.Figure 5. 병류일 때 밸브의 방향 Figure 6. 향류일 때 밸브의 방향⑥ 흐름 조절 밸브를 조절한 후 정상상태에 도달하면 온도 측정 장치를 통해 냉수와 온수의 입출구 온도를 측정한다.Figure 7. 병류일 때 입출구 온도 Figure 8. 향류일 때 입출구 온도Table 1. 병류일 때 입출구 온도온수 온도 (℃)냉수 온도 (℃)입구출구입구출구T출구 (T2)입구 (T3)출구 (T4)44*************11*************67501117Table 4. 향류에서 유량에 따른 입출구 온도유량 (LPM)온수 온도 (℃)냉수 온도 (℃)온수냉수입구 (T1)출구 (T2)입구 (T4)출구 (T3)4*************41119*************471117온수의 입구 온도는 설정 온도인 70℃보다 낮은 값으로 측정되었는데 이는 출구로 나오는 냉수가 항온조로 유입되면서 항온조 내 온도가 감소하기 때문이다. 따라서 실험 조건을 최대한 동일하게 맞추기 위해 온도가 일정 수준 이상 감소하면 온수 펌프의 스위치를 끄고 항온조 내 온수를 설정 온도까지 재가열한 후 실험을 이어서 진행하였다.[ⅱ] 열교환량열교환기에서 유체 간 열교환량은 냉수에서의 값과 온수에서의 값이 같으며 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.Q=WC _{p} (T _{1} -T _{2`} )=w`c _{p} `(t _{2} -t _{1} ) …(1)Q : 열교환량 [W]W : 고온 유체의 유량 [kg/s] ,w : 저온 유체의 유량 [kg/s]C _{p} : 고온 유체의 비열 [J/kg BULLET K] ,c _{p} : 저온 유체의 비열 [J/kg BULLET K]T_1 : 고온 유체의 입구 온도 [K] ,T _{2} : 고온 유체의 출구 온도 [K]t_1 : 저온 유체의 입구 온도 [K] ,t _{2} : 저온 유체의 출구 온도 [K]열교환량을 구하기 위해 온수와 냉수 각각의 입출구 온도차를 계산해 다음과 같이 정리하였다.Table 5. 병류에서 유량에 따른 온수와 냉수의 온도차유량 (LPM)온수 온도차 (K)냉수 온도차 (K)온수냉수*************610176Table 6. 향류에서 유량에 따른 온수와 냉수의 온도차유량 (LPM)온수 온도차 (K)냉수 온도차 (K)온수냉수44*************166실험에서 열교환기로 유입되는 유체의 유량 단위는 LPM, 즉L/min 으로 부피 유속 값이다. 따라서 식 (1)을 이용해 열각 유체의 비열값을 식 (1)에 대입하여 열교환량을 계산하여 정리하면 다음과 같다.Table 7. 병류에서 유량 및 온도에 따른 열교환량온수냉수질량 유량열교환량질량 유량열교환량0.0653732840.0666427940.0653738320.0999633520.0653735580.1332833520.0653746530.16664190Table 8. 향류에서 유량 및 온도에 따른 열교환량온수냉수질량 유량열교환량질량 유량열교환량0.0653732840.0666422350.0653738320.0999633520.0653741050.1332839110.0653743790.16664190열교환기 내에서 온수의 열이 냉수로 이동하기 때문에 식 (1)과 같이 온수와 냉수에서의 열교환량은 같은 값을 가져야 한다. 하지만 Table 7과 8을 통해 그 값이 다르다는 것을 알 수 있는데 이는 열교환기가 정상상태에 도달하기 전 입출구의 온도를 측정했기 때문이라고 생각된다. 따라서 총괄 열전달 계수 및 효율의 계산을 위해 온수와 냉수에서의 열교환량의 평균값을 사용한다.Table 9. 흐름 및 유량에 따른 열교환량의 평균값유량 (LPM)열교환량 평균값온수냉수병류향류*************9*************81044224285[ⅲ] 대수 평균 온도차열교환기 내 유체의 온도는 흐르는 위치에 따라 변하므로 평균 온도를 구하기 위해 대수 평균 온도차를 이용한다. 대수 평균 온도차를 구하는 식은 유체의 흐름이 병류인지 향류인지에 따라 다르며 다음과 같다.① 병류TRIANGLE t _{lm} ``=` {(T _{1} -t _{1} )-(T _{2} -t _{2} )} over {ln {T _{1} -t _{1}} over {T _{2} -t _{2}}} `= {TRIANGLE T _{1} - TRIANGLE T _{2}} over {ln {TRIANGLE T _{1}} over {TRIANGLE T _{2}}} …(3)② 향류TRIANGLE t _{lm} ``=` {(T _{1} -t _{2 T _{2} (K)TRIANGLE T _{lm} (K)온수냉수44543443.236573545.118543242.0510523040.00[ⅳ] 총괄 열전달 계수관 벽을 사이에 둔 온수와 냉수 사이의 열교환량은 두 유체의 평균 온도차와 열전달 면적에 비례한다. 이때 유체의 온도차는 위치에 따라 달라지므로 평균 온도차로 대수 평균 온도차를 이용하며, 비례관계를 식으로 나타내기 위해 비례상수로 전도, 대류, 복사 열전달 계수를 모두 합친 복합적인 개념의 총괄 열전달 계수가 사용된다. 총괄 열전달 계수를 사용하면 열교환량을 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.Q`=`UA TRIANGLE T _{lm} …(5)Q : 열교환량 [W] ,U : 총괄 열전달 계수 [W/m ^{2} BULLET K]A : 열전달 면적 [m^2] ,TRIANGLE T_lm : 대수 평균 온도차 [K]이때 열교환기의 내관 및 외관의 직경과 길이는 다음과 같다.Table 12. 열교환기의 실측 수치 (mm)내관내경15외경15.88외관내경40관의 길이1500열교환기 내관의 두께는 매우 얇아 무시할 수 있으므로 열전달 면적은 내관의 내경을 이용해 구할 수 있다.A`=` pi DL`=` pi TIMES (15`mm TIMES {m} over {1000`mm} ) TIMES (1500`mm TIMES {m} over {1000`mm} )`=`0.071`m ^{2} …(6)총괄 열전달 계수를 구하기 위해 식 (5)를 식 (7)과 같이 바꿔준 후 앞서 구한 열교환량과 열전달 면적, 대수 평균 온도차를 대입해 계산한 결과를 Table 13에 정리하였다.U`=` {Q} over {A TRIANGLE T _{lm}} …(7)Table 13. 흐름 및 유량에 따른 총괄 열전달 계수유량 (LPM)총괄 열전달 계수온수냉수병류향류**************************31014321509Table 13을 통해 냉수의 유량이 증가함에 따라 총괄 열전달 계수의 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 흐름에 따라 비교ble 14. 흐름 및 유량에 따른 열교환기 효율유량 (LPM)열교환기 효율온수냉수병류향류440.2220.22260.2590.24680.2600.278100.3040.308(2) Discussion이중관 열교환기를 통해 유체의 흐름이 병류일 때와 향류일 때, 냉수의 유량을 변화시켜가며 각 유체의 입출구 온도를 측정하였다. 측정한 온도를 바탕으로 열교환기 내에서의 열교환량을 구하고 이를 이용하여 총괄 열전달 계수 및 열교환기 효율을 계산해보았다.실험 결과, 병류와 향류 흐름 모두 냉수의 유량이 증가함에 따라 열교환기의 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 흐름에 따라서는 이론적으로 향류일 때의 효율이 병류일 때보다 우수해야 하지만 냉수의 유량이 8LPM 이상일 때만 향류의 효율이 더 높게 얻어졌다. 또한 열교환기 내에서의 열교환량은 냉수에서와 온수에서의 값이 서로 같아야 하지만 이 값 역시 서로 다르다는 결과가 얻어졌다. 이러한 결과는 실험 과정 중 발생한 여러 문제점으로 인한 오차라고 볼 수 있으므로 오차가 발생한 원인에 대하여 고찰해보았다.① 정상상태에 도달하지 않은 열교환기실험을 통해 흐름을 병류와 향류로 설정하여 각각 4가지의 유량에 대한 입출구 온도를 측정하였다. 입출구의 온도는 냉수의 유량을 조절한 후 열교환이 충분히 일어나 정상상태에 도달했을 때 측정해야 한다. 하지만 정해진 시간 내에 8번의 측정을 진행해야 했으므로 정상상태에 도달할 때까지 오랜 시간 기다리지 못하고 일정 시간이 지나면 온도를 측정하는 방식으로 실험을 진행하였다. 따라서 정상상태에 도달하기 전 온도가 측정된 경우가 발생했을 것이며 이렇게 측정한 온도로 구한 실험 결과들은 이론을 바탕으로 예측했던 결과와 차이가 날 수밖에 없을 것이다. 시간적으로 여유가 된다면 정상상태에 도달할 때까지 충분히 기다린 후 온도를 측정함으로써 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다.② 일정하지 않은 항온조의 온도열교환기 장치에서 온수는 설정 온도까지 가열한 항온조로부터 유입된다. 실험 시작 전 보일러.

공학/기술| 2021.09.09| 12페이지| 3,000원| 조회(193)

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화학반응속도 결과레포트

결과레포트실험제목 :화학반응속도1. Abstract반응계의 농도, 온도, 촉매 조건이 화학 반응 속도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 본 실험을 진행하였다.H_2 O_2와KI가 반응하여 산소를 발생시키며, 실험 장치를 통해 산소의 발생시간을 측정한다. 각 조건에 따라 화학 반응 속도가 어떻게 변화하는지 산소의 발생시간을 통해 확인한다.실험을 위한 장치를 설치한 후 반응에 필요한 시약인 0.1MKI 용액, 30%H_2 O_2 용액,MnO_2를 준비한다. 먼저 일정량의KI와 증류수를 혼합한 용액에 첨가하는H_2 O_2의 양을 각각 다르게 하면서 농도 조건이 화학 반응 속도에 미치는 영향을 확인한다. 다음은KI와 증류수,H_2 O_2양을 일정하게 하면서 용액의 온도를 각각 다르게 하여 반응 속도의 변화를 확인한다. 마지막으로 반응 용액의 양을 일정하게 하면서 촉매인MnO_2의 양을 다르게 하여 반응 속도의 변화를 확인한다.실험 결과, 첨가하는H_2 O_2용액의 양이 증가할수록 즉, 농도가 진할수록 반응의 생성물인 산소가 빠르게 발생했다. 또한 반응 용액의 온도가 높을수록 산소가 빠르게 발생했다. 촉매는 첨가를 하지 않았을 때보다 첨가했을 때 산소가 더 빠르게 발생했다. 이러한 결과를 통해 반응 용액의 농도가 진할수록, 온도가 높을수록, 촉매를 첨가할수록 화학 반응 속도가 빨라짐을 알 수 있다.2. Experiment(1) 실험 기구① Beaker② Flask③ Mess-pipette④ 스탠드⑤ 온도계⑥ 항온조⑦ 마이크로 피펫⑧ 교반기(2) 시약Table 1. 실험 시약시약과산화수소 (H_2 O_2)요오드화 칼륨 (KI)이산화 망간 (MnO_2)분자량(g/mol)34.01166.0086.90비중 (g/cm^3)1.45 (25℃)3.12 (25℃)5.21 (21℃)끓는점 (℃)1411323-녹는점 (℃)-11681535역할물과 산소로 분해됨과산화수소와 반응해 물과 산소 생성과산화수소분해 반응 촉매경고표지(3) 실험 방법[ⅰ] 실험 준비① Figure 1과 같이 2의 농도①에 적힌 양만큼 넣은 후 재빠르게 플라스크의 마개를 닫는다. 이때,H_2 O_2를 넣어준 순간부터 반응이 진행되므로 발생하는 산소가 외부로 빠져나가지 못하도록 하기 위해 빠르고 정확하게 마개를 닫아주어야 한다. 추가적으로 측정관과 플라스크의 마개 주위를 파라필름으로 여러겹 감싸주어 산소의 외부 유출을 막아주었다.④ 반응이 진행되면 산소가 발생하면서 발생한 산소가 측정관의 물을 밀어내어 물의 눈금이 내려간다. 눈금이 2ml 내려갔을 때, 즉 산소가 2ml 방출되었을 때 처음으로 시간을 측정한 후 4ml, 6ml, 8ml, 10ml, 12ml, 14ml의 산소가 축적되는 데 걸리는 시간을 측정한다.물기둥의 눈금이 내려가면서 2ml 마다 지정해놓은 구간을 통과하는 순간을 실시간으로 확인하는 데에는 어려움이 있다. 따라서 스탑워치로 시간을 측정하면서 동영상 촬영을 한 후에 느리게 재생하여 해당 부피만큼 물기둥이 내려갔을 때의 시간을 확인해 정확한 결과를 얻었다.Figure 4. 산소 발생시간 측정⑤ 플라스크를 세척한 후 Table 2의 농도②와 농도③에 대해서도 위와 같은 과정을 반복한다.[ⅲ] 온도의 영향① 온도가 화학 반응 속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 온도가 다른 세 가지의 용액을 준비한다. 이때 용액의 농도는 Table 2의 농도②로 맞추고 각각의 온도는 실온과 실온+10℃, 실온+20℃로 맞춘다. 본 실험에서 실온에서의 용액 온도가 17℃ 였으므로 나머지 두 용액은 항온조를 이용하여 각각 27℃와 37℃로 맞춰준다.Figure 5. 항온조로 용액의 온도 조절Table 3. 온도의 영향 실험에 필요한 용액0.1MKI증류수30%H_2 O_2온도온도①10ml18ml2ml17℃온도②10ml18ml2ml27℃온도③10ml18ml2ml37℃② [ⅱ] 농도의 영향 실험의 ②~⑤번 과정을 반복한다.[ⅳ] 촉매의 영향① 촉매가 화학 반응 속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 촉매를 첨가한 두 가지의 용액을 준비한다. 이때 용액의 농도는 Table 2의 농도②로{`-} ` -> `H _{2} O`+`IO ^{-} (slow) …(3)H _{2} O _{2} `+`IO ^{`-} ` rarrow `H _{2} O`+`O _{2} +I ^{`-} (fast) …(4)느린 반응이 속도 결정 단계이므로 본 실험의 화학 반응에서 속도 결정 단계는 식 (3)이다. 따라서 이 반응의 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.-r _{H _{2} O _{2}} =r _{O _{2}} =k`[H _{2} O _{2} ]`[I ^{`-} ] APPROX k[H _{2} O _{2} ] …(5)이 반응에서I ^{`-}는 촉매로 사용되기 때문에 반응 전과 후의 농도 변화가 없으며 일정 농도의 용액을 사용하므로 농도가 일정하다. 즉I ^{`-}의 농도는 반응속도와 무관하므로 반응 속도식을 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.반응 속도식을 통해 산소가 발생하는 속도는H_2 O_2의 농도에 비례한다는 것을 예측할 수 있다. 실험을 통해 용액의 농도에 따라 산소가 발생하는 데 걸리는 시간을 측정했으며 그 결과는 다음과 같다. 농도①~③의 자세한 시약의 양은 Table 2에서 언급하였다.Table 5. 농도에 따른 산소 발생 시간 (s)2ml4ml6ml8ml10ml12ml14ml농도①45.8798.65144.91204.10286.98363.68438.92농도②8.4517.3034.1551.3168.6282.4297.12농도③7.8616.0124.6134.5043.2962.0983.63산소의 발생 속도는 산소 발생량을 발생하는데 걸리는 시간으로 나눠준 값으로 Table 6에 정리하였다. 각각의 농도에서 측정한 부피 구간별 산소의 발생 속도는 일정한 값을 가지진 않으나 대체적으로 평균 값과 근접한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.Table 6. 농도에 따른 산소 발생 속도 (ml/s)2ml4ml6ml8ml10ml12ml14ml평균농도①0.0440.0410.0410.0390.0350.0330.0320.038농도②0.2370.2310.1760.1560 다음과 같다. 온도①~③의 자세한 시약의 양과 온도는 Table 3에서 언급하였다.Table 7. 온도에 따른 산소 발생 시간 (s)2ml4ml6ml8ml10ml12ml14ml온도①8.4517.3034.1551.3168.6282.4297.12온도②6.9016.7827.2939.7451.8965.0278.03온도③8.4018.2229.7336.0546.2056.1365.52전체적으로 온도가 증가할수록 동일한 부피의 산소가 발생되는 데 걸리는 시간이 감소했으나 일부 특정 구간에서는 온도가 높음에도 불구하고 산소 발생 시간이 더 오래 걸리는 구간이 있었다. 이는 실험 과정에서의 오차로 인해 해당 부피만큼의 산소가 발생하는데 걸리는 시간이 정확하게 측정되지 못한 것으로 생각된다. 이러한 오차 발생에 대해서는 이후 3-(2) Discussion 부분에서 자세히 다룰 것이다.온도의 변화에 따른 산소의 발생 속도 역시 계산하여 Table 8에 정리하였다. 각각의 온도에서 측정한 부피 구간별 산소의 발생 속도 역시 농도에서의 경우와 마찬가지로 일정한 값을 가지진 않으나 전체적으로 온도의 영향을 받아 온도가 증가할수록 반응 속도가 증가해 반응에 소요되는 시간이 감소하는 것을 알 수 있다.Table 8. 온도에 따른 산소 발생 속도 (ml/s)2ml4ml6ml8ml10ml12ml14ml평균온도①0.2370.2310.1760.1560.1460.1460.1440.176온도②0.2900.2380.2200.2010.1930.1850.1790.215온도③0.2380.2200.2020.2220.2160.2140.2140.218Figure 10은 2ml의 산소가 발생할 때마다 걸리는 시간을 측정해 누적한 그래프로, 반응 용액의 온도가 증가할수록 동일한 부피의 산소를 발생시키는 데에 더 적은 시간이 소요됨을 나타내 반응이 빠르게 진행되는 것을 보여준다.반응 초기에는 온도가 더 높은 ③번 용액에서의 산소 발생 시간이 ②번 용액에서보다 길게 나타나며 이는 실험 과정에서 발생한 오차로 인한 결과수 있다.첨가한 촉매의 양에 따른 산소의 발생 속도를 계산하여 Table 10에 정리하였다. 촉매의 유무에 따른 산소 발생 속도의 비교를 위해 동일한 조건에서 촉매를 첨가하지 않았을 때의 결과 값을 함께 정리했으며 표에서 촉매 X 용액은 촉매 X는 농도②, 온도① 용액과 같은 조건의 용액이다.Table 10. 촉매에 따른 산소 발생 속도 (ml/s)2ml4ml6ml8ml10ml12ml14ml평균촉매 X0.2370.2310.1760.1560.1460.1460.1440.176촉매①0.4850.5530.6040.6390.6740.6680.6650.613촉매②0.6330.7520.8320.8230.8900.9370.9520.831이와 같은 결과를 바탕으로 촉매의 양을 변화시키며 2ml의 산소가 발생할 때마다 걸리는 시간을 누적하여 Figure 11에 그래프로 나타냈다. 촉매를 첨가하지 않았을 때보다 첨가했을 때 산소 발생 속도가 매우 크게 증가하는 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 산소 발생 반응에서MnO_2가 정촉매로 작용한 것을 확인했다. 그러나 촉매의 양을 0.1g에서 0.2g으로 증가시켰을 때의 반응 속도에는 이 정도로 큰 차이가 나타나지 않았다. 이를 통해 촉매의 양이 증가할수록 반응 속도가 증가하긴 하나 촉매의 양보다는 촉매의 유무가 반응 속도에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.Figure 11. 온도에 따른 화학 반응 속도(2) Discussion실험으로 얻은 결과들을 통해 반응계의 농도, 온도, 촉매 조건이 화학 반응 속도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 실험 결과에 대한 그래프를 Figure 9~11에 나타냈으며 대부분의R^2값이 0.99보다 큰 것을 통해 신뢰도 높은 결과가 얻어졌음을 알 수 있었다. 그러나 일부 결과값이 이론을 통해 예측한 값과 어긋나는 경우가 있었으며 정확한 결과를 얻기 위해서는 이러한 오차의 원인으로 작용한 문제점들을 개선해야 한다. 이를 위해 실험 중 미흡했던 부분과 오차의 원인으로 작용했을 수 있는 부분에 대해 분것이다.

공학/기술| 2021.09.09| 14페이지| 3,000원| 조회(238)

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