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활성탄에의한 유기산의 흡착

물리화학실험 - 수용액에서 활성탄에 의한 유기산의 흡착Ⅰ. 서론1. 실험배경화학반응이 평형상태에 도달하면 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되어, 아무런 변화도 일어나지 않는 것처럼 보인다. 그러나 평형상태에서는 서로 반대 방향으로 진행되는 정반응과 역반응이 계속 일어나며, 단지 그 속도가 같아 알짜 변화가 없는 것이다. 평형에는 물리적인 평형과 화학적인 평형이 있다. 먼저 물리적인 평형은 물체가 힘을 받고 있다면 각 운동량(Momentum)이 0이 되는 것을 말하며, 화학적인 평형은 자연계에서 물질은 평형을 유지하려 하고, 이를 방해하는 요소가 첨가되더라도 역시 평형의 방향으로 반응을 진행시키게 되는 것을 의미한다.흡착은 기체나 액체상태의 물질이 물리적인 힘이나 또는 화학적인 힘에 의해 다른 물질의 표면에 달라붙는 현상으로 표면이 가지고 있는 중요한 성질이다.화학 평형시 평형상수와 유기산의 흡착율을 실험적으로 구할 수 있다.2. 목적아세트산의 흡착과정을 실험하고 Langmuir흡착 등온식과 Freundlich흡착 등온식 중 어떤 흡착 등온식이 적합한지 알아본다.Ⅱ . 이론일정한 온도에서 몇 가지 농도의 CH3COOH 용액을 가지고 활성탄의 고체 표면 흡착 성질을 알아본다.활성탄은 다양한 종류의 유기화합물을 흡착하므로 정수처리와 고차 폐수처리, 그리고 유기 산업 폐수 처리에 광범위하게 사용되는 흡착제다. 활성탄은 기체이나 액체 또는 혼합조성이라도 특정성분을 종류에 관계없이 선택적으로 흡착하며 적합한 처리에 의하여 흡착한 물질을 용이하게 탈착시켜 흡착력을 회복할 수 있어 흡착, 탈색, 탈취, 정제회수, 촉매 등의 용도에 용이하게 사용기능을 갖고 있다.흡착은 기체나 액체 상태의 물질이 물리적 힘이나 또는 화학적 힘에 의하여 다른 물질의 표면에 달라붙는 현상이다. 일정한 온도에서 흡착되는 물질의 양은 계의 종류, 대상 물질의 부분압 또는 농도에 따라 변하는 함수이다. 그 관계는 여러 종류의 흡착 등온식으로 나타낼 수 있으며, 적합한 흡착 등온식을 실험으로 알아내야한다.용액에 흡착제(고체)를 담갔을 때 용액의 농도와 흡착된 용질의 양 사이에는 일정한 온도에서 다음과 같은 관계가 있음을 실험적으로 알아내었는데, 이러한 관계를 Freundlich의 흡착 등온식이라고 부른다.(1)여기서 m은 흡착된 용질의 질량이고, W는 흡착제(고체)의 질량이며 c는 용액의 농도이다. 그리고 k와 n은 흡착제와 흡착질의 특성에 따라 결정되는 상수이다. (1)식을 대수관계로 표현하면 다음과 같이 된다.(2)여러 농도의 용액에 대하여 용질의 흡착량을 결정함으로써 (2)식을 적용하여 k와 n을 결정하고 흡착의 특성을 알아볼 수가 있다. 또 한편으로 흡착 과정은 다음과 같이 화학 평형식으로 나타낼 수가 있다.A(aq) + S ? AS (3)여기서 A는 흡착되는 용질 분자이고 S는 고체(흡착제) 표면 위의 흡착할 수 있는 자리이며 AS는 흡착된 A분자가 표면을 점유한 자리를 나타낸다. 일정한 온도에서 흡착이 평형 상태에 도달했을 때에는 평형 상수(K)를 다음과 같이 쓸 수가 있다.(4)흡착제의 표면에 흡착할 수 있는 전체의 자릿수를 [S]0라고 하면 [S]0=[S]+[AS],즉 [S]/[S]0+[AS]/[S]0=1로 쓸 수가 있다. (4)식의 분자와 분모를 [S]0,로 나누면 다음과 같이 된다.(5)(5)식을 다시 정리하면 다음과 같은 관계식을 얻을 수가 있는데, 이것이 Langmuir의 흡착 등온식이다.(6)(6)식에서 용액이 대단히 묽을 경우에는 1>>K[A]이므로가 되어서 흡착체의 표면이 흡착질로 덮이는 비율은 용액의 농도에 비례할 것이고, 그 때의 비례 상수가 곧 흡착 평형 상수인 K가 될 것이다. 반면에 용액이 진해질 경우에는 1

공학/기술| 2010.11.27| 4페이지| 1,000원| 조회(562)

활성탄, 화학공학실험, 물리화학, 물리화학실험, 화공실험, 활성탄흡착, 유기산

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평형상수의 결정 결과보고서

물리화학실험 - 평형상수의 결정(물감지시약의 산해리상수)Ⅰ. 서론1. 실험배경지시약으로 쓰이는 메틸오렌지(methyl orange)는 수용액에서 약산으로 작용하여 부분적으로 해리한다. 이때 이온화된 성분과 이온화되지 않은 성분은 가시광선 영역의 서로 다른 파장에서 최대 흡광도를 나타낸다. 이 지시약의 평형점을 나타내는나값은 가시광선 영역에서 분광기를 이용하여 측정할 수 있다. 즉 파장 400~700nm사이에서 온도를 일정하게 하고 묽은 HCl, 묽은 NaOH, pH가 고정된 완충 용액에 일정 농도의 메틸오렌지를 용해시키고 흡광도를 측정하면 이 결과로부터 지시약의 해리상수를 계산할 수 있다.2. 목적약산성을 띠는 지시약의 해리상수를 분광광도계를 이용하여 측정한다.Ⅱ . 이론용액에서 일어나는 화학반응의 평형상수는 반응의 반응물과 생성물의 농도를 측정하여 결정한다. 농도는 용액안의 물질의 빛 흡광도로 얻을 수 있다. 물질에 의한 빛의 흡수는 일반적으로 물질의 성질을 구별하는 데 쓰이고 물질이 다르면 아주 상당히 달라진다.평형상수 K는와 같은 열역학적 관계식에 나타나는 평형에 관계되는 상수이다.식에서 용액에 있는 화학종은 몰농도로 나타내고, 기체는 그 부분압력을 atm단위로 나타낸다. A와 B가 반응하여 C와 D를 생성하는 가역적 반응에 대한 화학반응식은 다음과 같다.일정한 온도에서 시간이 충분히 흐르면 반응물이나 생성물의 초기농도에 관계없이 더 이상 겉보기 농도에 변화가 없는 상태에 이르게 되는데 이를 평형상태라고 한다. 이러한 평형 상태에서 반응물과 생성물의 농도비를 나타내는 다음 식의 값은 일정하며, 이 값을 평형상수라고 한다.어떤 분자의 흡수(혹은 방출)되는 빛의 파장을 조사함으로써 분자가 가지고 있는 에너지 준위에 대해 알아보는 학문분야를 분광학이라고 하는데, 분광학의 한 방법으로 자외선-가시광선 분광법(ultraviolet-visible)이 있다. 자외선-가시광선 분광법은 일종의 흡수 분광법이다. 400~700㎚의 파장에 해당하는 가시광선과 200~400㎚의 파장을 갖는 근자외선으로 분자의 전자 에너지 준위간의 전이를 일으켜 스펙트럼을 얻는다.기체나 액체, 고체 화학종을 전자기 복사선이 통과하면 일부는 투과되지만, 일부는 화학종에 흡수가 된다. 따라서 전자기 복사선이 물질에 흡수되는 정도를 측정하면 화학종의 농도를 알 수 있다. 특히 자외선(UV)-가시선(visible)영역의 빛이 흡광도 측정에 의한 정량분석은 유기물이나 무기물 모두에 대한 응용범위도 넓고, 감도가 좋고, 측정이 쉽고 편리하므로 널리 이용되는 분광법 중의 하나이다.광자와 흡수 입자 사이의 상호작용 결과 빛살의 세기는에서로 감소한다. 용액의 투광도(Transmittance, T)는 용액을 투과한 입사복사선의 분율이다.투광도(시료를 통과하는 빛의 원래 빛에 대한 분율)용액의 흡광도 (Absorbance, A)는 다음 식과 같이 정의한다.용액의 흡광도는 투광도와 반대로 빛살이 많이 감소할수록 증가함을 알 수 있다.여기에서 a는 흡광계수(Absorptivity)라는 비례상수이다. a값은 b와 c에 적용하는 단위에 따라 분명히 달라진다. 길이를 cm로, 농도를 g/L로 나타낼 때 흡광계수의 단위는 Lg-1cm-1이다. 여기에서 농도를 몰농도로 나타내는 경우 흡광계수는 몰흡광계수(Molar absorptivity)라하고 특정한 기호로 나타낸다. 이때은 Lg-1cm-1mol-1의 단위를 갖는다.간단한 화학반응 A+B=AB에서 세 가지 물질이 있어서 모두가 흡광도 측정치에 기여한다. 이 경우 전체흡광도는 다음 식으로 주어진다.여기서는 각각 A, B와 AB의 빛이 지나간 길이와 몰흡광계수를 곱한 것이고 a와 b는 각각 A와 B의 초기농도, x는 평형에서의 AB의 몰농도이다.값을 알고 있을 경우에는 x값, 평형에서의 AB의 몰농도는 다음 식으로 얻을 수 있다.또한 반응물 A의 일정 초기농도에 대하여 생성물로 된 반응물 B의 분률(x/b)은 다음과 같이 된다.이 두 관계식은 반응물 B가 극한으로 묽은 용액에 대하여는 잘 맞아서 a의 일정한 값에 대하여는 A'와 (x/b)는 모두 b값이 영으로 감에 따라 일정한 값에 접근한다. 따라서 평형상수는b가 영으로 가면 간단히여기서비슷한 방법으로 AB가 해리하여 A와 B가 되는 역반응에 대한 평형상수는이다. 따라서 평형상수는 반응물과 생성물에 대한값과 반응물 A의 농도가 알려진 용액에 대하여 A' 의 극한값을 재어서 얻을 수 있다.상수이나중 하나를 모르거나 직접 잴 수 없는 경우에는 다음과 같다.여기서따라서값, 여기서 A'은 b가 영으로 갈 때,을 A의 몰농도에 대하여 도시하면 직선이 얻어지고 이 직선의 기울기가 (1/M)이 되고 여기서이나값을 얻을 수 있다. 그리고 이 직선의 절편을 기울기로 나누면 평형상수이 된다.반응의 평형상수는값을 모두 알고 있으면 반응물 A의 농도 하나로 계산할 수 있고 반면에 흡광계수 하나를 모르거나 측정할 수 없을 경우에는 A'을 적어도 반응물 A의 두 개의 다른 농도 값에 대하여 얻어야만 평형상수 값을 정할 수 있다. 더구나식을 써서 평형상수를 결정할 때는 A의 농도를값과 같거나 비슷하게 취하면 가장 정확하게 얻을 수 있는데 이는 a가와 같을 때 Q가 0.5가 되기 때문이다.이 실험에서는 약산 물감지시약인 메틸오렌지의 산 해리상수를 정한다. 해리반응은산해리상수는의 역수가 된다. 또한 여기서 H+ 는 반응물 A에 해당하고 이 반응물의 흡광계수는 가시광선 파장범위에서는 영이다. 즉이다. 다른 두 개의 흡광계수와값은 각각 M-가 없는 강한 산성용액에서 흡광도를 재고 HM이 없는 강한 염기 용액에서 흡광도를 재서 얻는다. H+농도는 pH단위로 표시되기 때문에 평형상수에 대한식을 log로 취하는 것이 좋다.여기서는 음이온 M-의 흡광계수이고,는 해리되지 않은 HM분자의 흡광계수이다.Ⅲ . 실험1. 실험 기구분광광도계, 분광광도계의 시료시험관, 시험관걸이, 피펫, 비커2. 시약지시약 메틸오렌지 저장용액, 증류수, 0.1M 프탈산수소칼륨, 0.1M HCl, 0.2M HCl 0.2M NaOH3. 실험 방법(1) 메틸오렌지 0.5 g을 200ml 에탄올에 녹인 다음 증류수로 500ml로 묽혀서 메틸오 렌지 저장용액을 준비한다.(2) 0.1M 프탈산수소칼륨, 0.1M HCl를 이용해서 pH 3, 3.5, 4의 완충용액 200ml씩 준 비한다.(3) 메틸오렌지 지시약 1방울을 10ml 0.2M HCl(를 정하기 위해)와 10ml 0.2M NaOH(a2를 정하기 위해)용액에 각각 넣어 파장범위 340~600nm에서 퍼센트 투과 율과 흡광도(A)를 측정한다. 이 측정에서 두 용액의 흡광도에 가장 큰 차이가 나 타나는 파장을 선택한다. 분광광도계를 이 파장에 고정시키고 나머지 측정한다.(4) 매 완충용액과 0.2M HCl과 NaOH용액에 대해 표1에서 제시한대로 메틸오렌지 지시약의 농도가 줄어드는 순서대로 준비하고 흡광도를 측정한다.(5) 메틸오렌지지시약의 산해리상수를 정한다.시험관123456용액 량(ml)101010101010메틸오렌지(ml)0.250.200.150.100.050.05증류수 (ml)0.050.100.150.200.250.25Ⅳ . 결과 및 토의1. 실험 결과(1) 최대흡수파장()찾기① 0.2M HCl과 0.2M NaOH의 최대흡수파장⇒ 0.2M HCl의 최대흡수파장() : 510nm⇒ 0.2M NaOH의 최대흡수파장() : 460nm② 0.2M HCl과 0.2M NaOH의 최대흡수파장⇒ pH3.0의 최대흡수파장() : 510nm⇒ pH3.5의 최대흡수파장() : 500nm⇒ pH4.0의 최대흡수파장() : 490nm(2) 평형상수() 구하기메틸오렌지용액 종류0.25ml0.20ml0.15ml0.10ml0.05ml0.05mlHCl510nm1.9311.6861.3061.3150.6190.544NaOH460nm0.3290.1490.2220.0760.0530.088pH 3.0510nm2.0041.0291.5861.2841.2020.404pH 3.5500nm1.6441.8261.1290.8470.7800.415pH 4.0490nm0.8670.6291.2401.2320.1830.365①값 결정⇒⇒② pH 3.0의 평형상수() 결정③ pH 3.5의 평형상수() 결정④ pH 4.0의 평형상수() 결정2. 토의이번 실험은 분광광도계를 이용하여 지시약으로 쓰이는 메틸오렌지(methyl orange)가 수용액에서 약산으로 작용하여 부분적으로 해리할 때의 해리상수를 구해보았다.기체나 액체, 고체 화학종을 전자기 복사선이 통과하면 일부는 투과되지만, 일부는 화학종에 흡수가 된다. 따라서 분광광도계로 전자기 복사선이 물질에 흡수되는 정도를 알아 볼 수 있다. 이 원리로 물질의 흡광도를 측정해서 미지시료의 농도를 구할 수도 우리가 실험한 것과 같이 화학반응의 평형상수나 해리상수를 구할 수도 있다.우리는 화학종이 흡수한 빛과 보색관계에 있는 색을 우리의 눈을 통해서 볼 수 있다.예를 들면 400nm의 파장에서 화학종이 흡수하는 색이 보라색이고 우리는 노란색을 눈으로 볼 수 있는 것이다.평형상수는 해리상수의 역수이기 때문에 해리상수를 구한 후 역수를 취해주면 역반응의 평형상수도 알 수 있다.

공학/기술| 2010.08.12| 10페이지| 1,000원| 조회(826)

화공, 평형상수, 화공기초실험, 평형상수의 결정, 평형상수측정

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열량계에 의한 중화열 측정 결과보고서 평가A+최고예요

Ⅰ. 서론1. 실험배경화학반응이 진행 될 때 열의 흡수나 방출이 일어난다.이때의 열을 반응열이라고 하고 반응열은 반응물의 에너지와 생성물의 에너지 차이이다. 반응열이 방출 될 때를 발열반응, 흡수될 때를 흡열반응이라고 한다.반응열의 측정은 열역학적인 모든 값을 구하는 기초가 된다.물리화학실험 - 열량계에 의한 중화열 측정이와 같이 화학반응 시에 생기는 열의 흐름을 열량계(calorimeter)를 사용하여 실험적으로 측정할 수 있다.2. 목적산과 염기를 반응시켰을 때 생기는 중화열을 열량계를 이용하여 구한다.Ⅱ . 이론중화반응이 일어날 때 발생하는 중화열을 열량계를 이용해서 구한다.반응열을 실험적으로 측정하는 것을 열량계법(calorimetry)이라 하고, 크게 두 가지로 구분한다. 연소열을 측정하는 단열통 열량계(bomb calorimeter)와 용액반응의 열을 측정하는 용액열량계(solution calorimeter)가 있다.단열통 열량계는 반응물과 생성물이 표준상태에 있고 1몰 화합물이 완전 연소할 때 나오는 연소열을 단열통 열량계에서 측정한다. 이때 열은 일정한 부피에서 얻은 값이므로이다. 반응에서 생긴 열량계의 온도변화를 측정하여를 구하고 그로부터를 결정한다.를 이용하여 열량계의를 결정한다.는 벤조산의 발열량이 알려져 있으므로 일정량을 태워 구한다. 그리고 화합물의 반응열은 온도상승,를 이용하여를 결정한다.값이 결정되면를 이용하여 반응 엔탈피를 구한다.용액 열량계는 대기에 열려있고, 일정한 압력에서 조작하므로 측정 열은 바로 반응의 엔탈피 변화,와 같다. 먼저 열량계의 내부 플라스크에 한 용액을 넣은 다음 외부 플라스크에 다른 용액을 넣는다. 적당한 시간에 두 용액을 혼합시켜 반응하도록 내부 플라스크에서 외부 플라스크로 용액을 넣기 위하여 공기 압력을 사용한다. 용액을 혼합하고 일정한 온도내림을 관찰할 때까지 온도기록을 계속한다.열량계 열용량는 다음 식으로 구한다.여기서 I는 가열기를 흐르는 전류이고, R는 가열기의 저항, t는 가열기로 가열하는 시간간격이다. 일단값이 알려지면 용액반응의 엔탈피 변화는 다음과 같이 구한다.여기서 열용량(C)은 어떤 물체의 온도를 1K(1℃)높이는 데 필요한 열량을 말하고 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 알려주는 값이다. 단위질량에 대한 열용량은 비열이라고 한다.부피가 일정하게 유지되고 다른 종류의 일이 관여하지 않을 때 이 계의 온도를 dt만큼 올리는 데 필요한 에너지는이고 계의 압력이 일정하게 유지되어 에너지를 받았을 때 계가 팽창이나 압축을 할 수 있다고 할 때 온도를 dt만큼 올릴 때 필요한 열은이다. 일정한 부피나 압력 하에서의 열용량을 정의하는 데는 다음과 같은 조건이 붙어야 한다.일정한 부피에서 일이 수반되지 않는다.일정한 압력에서 PV일 이외의 일은 수반되지 않는다.계가 일을 하지 않을 때는 dw=0이고가 되므로는 내부 에너지의 증가를 가지고 나타낼 수 있다. 따라서또한 실효일도 없고 가열 과정에서 압력도 변하지 않는 조건을 보면에서와가 0이 되므로가 된다.일정한 부피 하에서의 열용량과 일정한 압력 하에서의 열용량 사이에는 계의 부피 변화에 수반되는 일 때문에 차이가 생긴다.의 경우에는 일을 해야 하기 때문에 같은 열량을 가지고도 온도가 덜 올라간다. 따라서는보다 더 크다. 그 차이는로부터 유도하면 이상 기체의 경우에는 그 값이 nR이 된다.이번 실험에서 우리가 측정하는 중화열이란 산과 염기가 중화반응을 일으키며 1몰의 물을 만들 때 발생하는 열량을 말하는데 알짜반응은 다음과 같다.H+(aq) + OH-(aq) → H2O (l)산과 염기의 종류는 다양하지만 알짜반응은 언제나 위와 같이 물이 만들어지는 반응이므로 산이나 염기의 종류에 상관없이 반응에 참여하는 분자 수가 같다면 방출되는 열도 같다. 수소이온과 수산화이온 각각 1몰이 반응하여 1몰의 물을 만드는 경우의 중화열은 57.68kJ이다. 즉 중화반응은 57.68kJ/mol 의 중화열을 낸다고 말할 수 있다.반응 시 발생하는 열의 측정은 발생열의 일부는 용액의 온도를 노이는 데 쓰이고 일부는 반응 용기의 온도를 높이고 또 일부는 대기 중으로 복사되기 때문에 결코 쉽지 않다.Ⅲ . 실험1. 실험 기구열량계, Dewar 병, 교반기, 온도계, 피펫2. 실험 장치3. 시약0.2N NaOH, 1N HCl, 얼음물, 증류수4. 실험 방법(1) Dewar병에 증류수 500ml를 넣고 보통속도로 교반시켜주면서 온도가 0.05℃ 이내 로 일정한 값을 가질 때까지 20초마다 온도를 기록한다.(2) 일정한 온도가 되면 미리 온도를 알아둔 얼음물 100ml를 병에 넣고 교반시켜주면 서 온도가 0.05℃ 이내로 일정해질 때까지 20초마다 온도 기록하여 세 번 이상 되 풀이하여 평균을 구한다.(3) 열량계의 열용량을 구한다.얼음물이 얻은 열량 = Dewar병 및 500ml물이 잃은 열량: 열량계의 최종 온도T : 얼음물 최초 온도: 열량계의 온도 변화(증류수 초기 온도-물 얼음 혼합 최종 온도): 열량계와 물 500ml를 합한 계의 열용량+ 얼음물 100ml의 열용량(전체부피 600ml조건을 맞추기 위해(C는 600ml열량계의 열용량)(4) Dewar병을 건조시킨 후 0.2N NaOH 500ml를 열량계에 넣는다.(5) 용액을 교반하며 0.05℃ 이내로 일정한 온도가 3회 측정될 때까지 20초마다 온도 를 읽는다.(6) 온도가 일정해지면 1.0N HCl 100ml를 빨리 가한다.(HCl의 온도는 열량계속 온도 와 비슷해야 한다.)(7) 일정한 온도가 될 때까지 20초마다 온도를 읽는다.(8) 중화 과정을 두 번 실시한다.(9) 중화열 계산한다.(10) H2SO4와 CH3COOH 으로 동일한 실험을 한다.Ⅳ . 결과 및 토의1. 실험 결과(1) 열량계의 열용량 결정얼음물의 초기온도(T)1차2차3차-0.40.31.5평균0.46증류수의 초기온도1차2차3차17.917.917.9평균17.9혼합 후 온도(Tf)1차2차3차161615.9평균15.961) 계의 열용량 C'2) 전체 열용량 C(2) 중화열 구하기1) 1N HCl 과 0.2N NaOH 중화열2) 1N H2SO4 와 0.2N NaOH 중화열3) 1N CH3COOH 와 0.2N NaOH 중화열2. 토의이번 실험은 열량계를 사용해서 산과 염기를 반응시켰을 때 생기는 중화열을 측정해보았다. 중화할 때 발생하는 열량을 측정하기 위해서 일단 사용할 용기의 열용량을 먼저 측정하였다. 증류수와 얼음물을 넣고 온도변화를 관찰해서식을 사용해 용기의 열용량을 계산하였다.여기서 우리가 계산한 열용량(C)은 어떤 물체의 온도를 1K(1℃)높이는 데 필요한 열량을 말하고 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 알려주는 값이다.열용량이 클수록 물체는 온도가 잘 변하지 않는 반면 열용량이 작은 물체는 조금만 열을 가감해도 쉽게 온도 변화를 일으킨다. 우리가 사용한 용기의 열용량은 3759.6J/K 로 큰 편에 해당하며 이는 용기의 온도변화가 쉽게 일어나지 않는 다는 것을 뜻한다.용기의 열용량을 계산한 후 중화열을 측정하였는데 중화열은 강산인 HCl과 H2SO4가 강염기인 NaOH와 반응하는 중화열을 측정하고, 또 약산인 CH3COOH가 NaOH와 반응하는 중화열을 측정해보았다. 실험결과 강산이 강염기와 반응할 때 발생하는 중화열이 더 크게 측정되었다.실험 시에 발생할 수 있는 여러 가지 오차의 원인을 생각해보았다.염기용액에 산 용액을 가할 때의 주의점이 가하기 전의 염기 용액 온도가 가해주는 산 용액의 온도와 비슷해야 하는데 실험 시에 이점에 주의를 기울이지 못해 실험에 오차가 발생하게 되었다.열량계에 용액을 넣고 중화반응을 시켜 중화열을 측정하기 위해서는 열량계를 잘 단열시켜서 순수하게 반응 시 발생하는 온도변화만 관찰하여야 하는데 실험 시 우리가 사용하는 열량계는 윗부분이 열려있어서 단열이 되지 않아 주위 온도의 영향을 받았기 때문에 온도변화가 정확히 관찰되지 않은 것 같다. 또한 발생열의 일부는 용액의 온도를 높이는 데 쓰이고 일부는 반응 용기의 온도를 높이고 또 일부는 대기 중으로 복사되기 때문에 정확히 발생한 중화열만은 측정할 수 없었다.

공학/기술| 2009.05.28| 8페이지| 1,000원| 조회(1,873)

열량계법, 열량계, 중화열, 화공기초실험, 열용량, 중화열측정, 산염기반응

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액체-증기평형 결과보고서

물리화학실험 - 액체-증기 평형Ⅰ. 서론1. 실험배경증발과 응축이 서로 균형을 이루어 평형 상태가 되며 이때의 압력을 증기압이라고 부른다. 증기압이 주위의 압력과 같아지면 액체 전체에서 기포가 생기면서 증발이 일어나는데, 이것을 액체가 끓는다고 한다.이상적인 이상분계는 조성에 관계없이 모든 조성 범위에 걸쳐서 라울(Raoult)의 법칙을 따른다. 비록 그 성질이 이상적인 것에 가까운 계들도 몇 가지 있기는 하지만, 대부분의 계들은 이상적인 압력-조성 곡선에서 양 혹은 음으로 벗어난다. 그 벗어남이 충분히 커서 증기압 곡선에 최대값 혹은 최소값이 생기게 하는 경우들도 많다. 증기압 곡선에서 최소값이 있는 계는 온도-조성 곡선에서 최대값을 가지고, 증기압 곡선에서 최대값을 가지고 있는 계는 온도-조성 곡선에서 최소값을 가지고 있다. 최고 끓는점과 최저 끓는점을 가지고 있는 용액들을 불변끓음혼합물(Azeotropic mixture)이라고 부른다.온도-조성 그림은 두 개의 곡선으로 이루어진다. 위쪽 곡선은 끓는점에서 용액들과 평형을 이루고 있는 증기의 조성을 나타내는 것이고, 아래쪽 곡선은 이 용액들의 끓는점을 나타내는 것이다. 계가 불변끓음혼합물을 가지고 있으면 이 두 곡선들이 그 혼합물의 조성에 해당하는 점에서 0의 기울기를 가지고 서로 만난다. 온도-조성 도표를 실험적으로 알아내려면 여러 가지로 조성이 다른 용액들의 끓는점과 각 용액에 해당하는 증기의 조성을 측정해야 한다. 이 실험에서는 굴절률을 측정함으로써 증류해 나온 액체와 증류되지 않고 남은 액체의 조성을 측정할 것이다.2. 목적최저 끓는점을 가지고 있는 이성분 액체계의 끓는점-조성 곡선을 결정한다. 아베 굴절계를 사용하여 이성분 액체 혼합물의 조성을 결정하는 방법을 이해한다.Ⅱ . 이론1. 라울의 법칙(Raoult)비휘발성 물질 용액에서, 용액 속 용매의 증기압은 용매의 몰분율에 비례하며, 또 용매의 증기압내림률은 용질의 몰분율과 같다는 법칙을 말한다.예를 들면, 휘발성인 에탄올을 물에 녹인 용액의 증기비휘발성인 설탕을 물에 녹인 용액은 설탕 분자가 물이 증발하는 것을 부분적으로 방해하기 때문에 설탕물의 증기압은 물보다 더 낮아진다. 이런 현상을 ‘라울의 법칙(Raoult)'이라고 한다.전체 농도 범위에 걸쳐 라울의 법칙이 성립하는 용액을 이상용액이라고 한다. 이에 대해 라울의 법칙에서 예상했던 증기압보다 더 작게 또는 더 크게 나타나는 경우를 비이상용액이라고 한다.어떤 온도에서 순용매의 증기압을 P0, 같은 온도에서 용액의 증기압을 P, 그 용액 중의 용질의 몰분율을 x2라 하면,의 관계가 성립한다. 여기서 n1, n2는 각각 용액 중의 용매 또는 용질의 몰수이다. 이 법칙을 이용하여 묽은 용액의 증기압내림을 측정함으로써 용질의 분자량을 구할 수 있다.용질이 휘발성인 경우에도 P를 용액과 평형 상태에 있는 기체상 중의 용매증기의 부분압력으로 하면 위의 관계가 성립한다. 용매의 몰분율을 x1이라 하면 x1＝1－x2이므로, 라울의 법칙은 P＝P0x1로 고쳐 쓸 수 있다.2. 이상용액라울의 법칙에 따르는 극히 묽은 용액으로, 용질분자와 용매분자 또는 용질분자의 분자간의 상호작용이 작은 경우에 이 상태에 가까워진다. 또, 비슷한 화학구조를 가질 때 넓은 농도범위에서 이상용액의 성질을 나타내는데, 이를 완전용액이라고도 한다.반대로, 이상용액이 형성되기 어려운 예로서 다음과 같은 경우가 있다.① 용질이 극성분자이고, 용매가 비극성분자로 되는 경우② 벤젠용매 속의 카르복시산과 같이, 회합성인 용질인 경우,③ 전해질용액과 같이 용질이 해리하는 경우이상용액과의 차이는 증기압 내림·끓는점 오름·응고점 내림·삼투압 등의 측정으로부터 알 수 있다.A, B 2성분계의 혼합물에 대하여 라울의 법칙을 적용해 보면PB =PB(1-x)여기서 PA, PB는 저비점과 고비점 성분의 증기분압, PA,PB 는 각 성분의 순수상태의 증기압이다. P로 전압을 나타내면 다음과 같이 나타낼 수 있다.P = PA + PB = PA,x + PB(1-x)3. 액체의 증기압액체가 증발하여 그 증기와 평형상태부피는 액체상태의 부피보다 훨씬 크므로 ΔV는 증기상태의 부피 Vυ와 같게 쓸 수가 있으며 증기압이 그리 높지 않은 범위에서 그 증기는 이상기체로 취급할 수가 있으므로 1몰에 대해서 이 사실들을 식 (1)에 적용시키면 다음과 같은 관계를 얻을 수 있다.(2)식 (2)을 Clapeyron-Clausius식이라 하고 여기서 R은 기체상수이다. 식 (2)을 변형시키면 측정된 자료를 직접 적용시킬 수 있는 다음과 같은 형태를 얻을 수 있다.(3)Ⅲ . 실험1. 실험 기구끓는점 측정 장치, 유리-콜(glass-col) 가열 망태기와 가변 변압기, 온도계, 철제 받침대 및 클램프, 고무관, 1/2 온스짜리 코르크 마개 또는 나사 뚜껑이 달린 병 24개, 피펫, 아베 굴절계, 렌즈 종이 또는 Kimwipes 휴지2. 실험 장치A : 표준 테이퍼(taper) 마개B : 100℃ 온도계(눈금 간격 0.1℃)C : 끓이는 플라스크(용량 250 ml)D : 증류된 액체가 모이는 곳E : 냉각기의 물 출입구3. 시약에탄올, 증류수, 끓임쪽4. 실험 방법(1) 표1에 있는 시료들의 굴절률을 측정한다.시료번호시료의 조성1순수한 증류수2순수한 에탄올3증류수 5ml + 에탄올 1ml4증류수 4ml + 에탄올 2ml5증류수 3ml + 에탄올 3ml6증류수 2ml + 에탄올 4ml7증류수 1ml + 에탄올 5ml(2) 장치를 적당한 클램프를 사용해 수직 받침대에 그림처럼 조립하고 냉각기와 수도 꼭지에 고무관을 연결해 준다.(3) C 플라스크를 유리-콜(glass-col) 가열 망태기로 싸고 가변변압기에 연결한다.(4) 증류수를 50ml 만큼 플라스크에 넣어주고 끓는점을 측정한다. 이때 과열되거나 너무 심하게 끊어 넘치는 것을 방지하기 위해 끓임쪽을 넣어둔다.(5) 실험할 때 여러 용액들을 일정한 온도에서 활발하게 끓게 될 때까지 가열한다.(6) 에탄올을 증류액과 남은 액체의 조성이 거의 같아질 때까지 조금씩 첨가하면서 냉각기의 아래쪽에 모인 증류액들은 피펫을 써서 각 시료를 채취하고 플라스크체의 조성이 다시 거의 같아질 때까지 증류수를 조금씩 첨가하면서 냉각기의 아래쪽에 모인 증류액들은 피펫을 써서 각 시료를 채취하고 플라스크에 남아있는 액체의 시료도 채취한 뒤 굴절률을 측정한 다.Ⅳ . 결과 및 토의1. 실험 결과(1) 굴절률-조성곡선1) 시료의 굴절률 측정시료번호시료의 조성굴절률1순수한 증류수1.3342순수한 에탄올1.3623증류수 5ml + 에탄올 1ml1.3414증류수 4ml + 에탄올 2ml1.3475증류수 3ml + 에탄올 3ml1.3556증류수 2ml + 에탄올 4ml1.3597증류수 1ml + 에탄올 5ml1.3612) 시료의 몰분율시료번호시료의 조성몰분율증류수에탄올1순수한 증류수102순수한 에탄올013증류수 5ml + 에탄올 1ml0.9473430.0526574증류수 4ml + 에탄올 2ml0.8779950.1220055증류수 3ml + 에탄올 3ml0.7825230.2174776증류수 2ml + 에탄올 4ml0.6427420.3572587증류수 1ml + 에탄올 5ml0.4184820.581518·증류수의 밀도 : 0.987g/ml ·증류수의 분자량 : 18g/mol·에탄올의 밀도 : 0.701g/ml ·에탄올의 분자량 : 46g/mol·증류수의 몰수() =·에탄올의 몰수() =·증류수의 몰분율() =·에탄올의 몰분율() =3) 시료의 몰분율-굴절률 그래프① 증류수의 몰분율에 따른 굴절률② 에탄올의 몰분율에 따른 굴절률(2) 함께 끓는 혼합물의 실험1) 함께 끓는 혼합물 시료의 굴절률 측정증류수 50mL에가하는 에탄올의 양끓는점(℃)굴절률액상기상101051.3321.33223 mL98.31.3341.33835 mL94.81.3351.34948 mL90.61.3381.355510 mL881.3431.361613 mL84.31.3471.362715 mL841.351.362에탄올 50mL에가하는 증류수의 양끓는점(℃)굴절률액상기상0761.3621.36310.3 mL79.91.3611.36220.5 mL80.31.361.36231 mL산증류수 50mL에가하는 에탄올의 양끓는점(℃)몰분율액상기상101056.64486.644823 mL98.36.28765.573335 mL94.86.10913.609148 mL90.65.57332.5377510 mL884.68051.4662613 mL84.33.96621.2877715 mL843.43051.2877에 나타난 수식 y=-0.0056x+1.3692(x : 몰분율, y : 굴절률)x=-178.57y+244.5 에 굴절률 y 대입.에탄올 50mL에가하는 증류수의 양끓는점(℃)몰분율액상기상10765.3259965.55855420.3 mL79.95.0934385.32599630.5 mL80.34.860885.32599641 mL81.64.6283224.8608852 mL824.1632064.39576464 mL89.53.9306484.39576476 mL913.698094.163206에 나타난 수식 y=0.0043x+1.3391(x : 몰분율, y : 굴절률)x=232.558y-311.418 에 굴절률 y 대입.3) 몰분율과 끓는점 그래프① 증류수의 몰분율과 끓는점② 에탄올의 몰분율과 끓는점③ 증류수와 에탄올의 몰분율과 끓는점 혼합그래프2. 토의이번 실험은 이성분 액체계의 끓는점-조성 곡선을 결정하는 것이다. 온도-조성 도표를 실험적으로 알아내기 위해서 여러 가지로 조성이 다른 용액들의 끓는점과 각 용액에 해당하는 증기의 조성을 측정하였다. 이번 실험에서는 아베굴절계를 이용해서 굴절률을 측정함으로써 증류해 나온 액체와 증류되지 않고 남은 액체의 조성을 측정하였다. 이번 실험에서는 증류수와 에탄올의 액체계의 끓는점-조성 곡선을 결정하여보았는데 이 혼합물은 불변끓음혼합물을 가지고 있는 비이상계의 좋은 예이다. 여기서 불변끓음혼합물이란 최고 끓는점과 최저 끓는점을 가지고 있는 용액들을 가리키는 말이다.온도-조성 곡선은 두 개의 곡선으로 이루어지는데 위쪽 곡선은 끓는점에서 용액들과 평형을 이루고 있는 증기의 조성을 나타내는 것이고, 아래쪽 곡선은 이 용액들의 끓는.

자연과학| 2009.05.28| 11페이지| 1,000원| 조회(680)

물리화학실험, 화공기초실험, 라울의 법칙, 아베굴절계, 액체증기평형, 액체의 증기..

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반응속도에 미치는 온도효과

물리화학실험 - 반응속도에 미치는 온도효과Ⅰ. 서론1. 실험배경화학 반응 속도는 반응물이나 생성물의 단위 시간당 농도 변화로 정의되어지며, 생성물이 생성되는 속도 또는 반응물이 소모되는 속도를 관찰함으로써 결정된다. 그러나 반응식만으로는 결코 그 값을 알 수 없기 때문에 반드시 실험적으로 결정되어야 한다.화학 반응의 속도는 농도, 온도, 반응 물질의 표면적, 촉매 등 여러 가지 요인의 지배를 받는다.반응속도에 영향을 미치는 요인을 살펴보면 다음과 같다.1) 농도의 영향화학반응이 일어나려면 반응물질끼리 충돌해야 한다. 충돌한다고 해서 모두 반응을 일으키는 것은 아니지만 충돌수가 크면 클수록 반응속도가 빨라진다. 반응물질 사 이의 충돌수는 반응물질 입자의 수가 많을수록 커지게 되므로 반응속도는 농도가 클수록 커진다.2) 온도의 영향반응 속도는 온도가 상승함에 따라 빨라지는데 그 주된 원인은 온도 상승에 따라 활성화 에너지(Ea)보다 큰 에너지를 가지는 입자수가 증가하기 때문이다.3) 반응물질의 표면적의 영향화학반응이 일어나기 위해서는 반응물질 사이에 충돌이 일어나야 한다. 이때 고체 의 표면이 크면 클수록 충돌 가능성이 커지기 때문에 반응속도도 빨라진다.4) 촉매의 영향촉매는 반응 전과 후에 자신의 본질이나 양에는 변화 없이 활성화 에너지를 변화 시켜서 반응속도를 변화시켜주는 물질을 말한다.촉매에는 정촉매와 부촉매 두 가지가 있다. 정촉매는 활성화 에너지를 낮춰서 반응 속도를 빠르게 하는 촉매이고, 부촉매는 활성화 에너지를 높여서 반응속도를 느리 게 하는 촉매이다.2. 목적메틸 아세테이트()의 수소이온 촉매하의 가수 분해 반응을 여러 온도에서 시켜본 후 온도와 반응 속도와의 관계를 통해 속도 상수를 구하고 Arrhenius식을 이용해 Ea를 구한다.Ⅱ . 이론화학반응의 반응 속도는 일정온도와 압력 하에서 생성물은 양수, 반응물은 음수를 취하여 나타낸다.여기서 k는 속도상수이며 반응 차수 m과 n은 실험을 통해 결정한다.일차반응에서 반응물이 생성물이 되는 반응 속도 법칙은결국은가 된다.화학 반응의 속도는 농도, 온도, 반응 물질의 표면적, 촉매 등 여러 가지 요인의 지배를 받는데 여러 요인 중에서 대부분의 반응속도는 온도가 증가하면 따라서 증가한다.이 식은 lnK를 1/T에 대해 도시하면 직선이 생긴다는 것을 알 수 있다. 기울기는이며 이것은 다음과 같다.여기서 A를 지수 앞자리 인자라고 하며 Ea는 활성화 에너지라고 한다.Arrhenius식을 두 온도 T1과 T2에서 속도상수 K1과 K2를 얻었다고 하여 표현하면 위 식은 다음과 같이 된다.반응속도상수는 온도와 다음과 같은 관계를 갖는다.(1)여기서 k는 반응속도상수, ΔEa는 활성화 에너지, R은 기체상수, T는 절대온도이다. 활성화 에너지가 온도에 무관하다는 가정 하에 적분하면 다음 식을 얻는다.(2)(3)이 식들은 평형상수와 반응엔탈피 사이의 관계나 증기압과 증발열 사이의 관계식과 비슷한 꼴임을 알아야 한다. 식 (1)에 따르면 활성화 에너지가 클수록 온도에 따르는 k의 변화가 크다는 것을 보여준다. 실온 근처에서는 온도를 10℃올리면 반응속도상수가 약 2배가 되는 반응이 많다는 것이 알려져 있다.이온반응은 속도가 매우 빠르기 때문에 보통 속도상수 측정에 적합하지 못하다. 반면 많은 유기 반응들은 실온에서 너무 느리게 진행하므로 역시 반응속도측정에 부적당하다. 이 실험에서는 아세트산 메틸의 수소이온 촉매하의 가수분해반응을 택하였다, 반응식은 다음과 같다.실험 절차에 제시된 수소이온농도에서 이 반응은 25℃내지 50℃범위에서 적당한 속도로 진행한다. 반응이 진행함에 따라 아세트산이 생긴다는 것을 알아야 한다. 같은 부피의 반응혼합물시료를 적정하는데 필요한 염기의 양은 시간과 더불어 증가할 것이다.Ⅲ . 실험1. 실험 기구항온조, 유리마개가 달린 250ml 삼각 플라스크3개, 시계, 5ml피펫3개, 적정용 뷰렛, 플라스크, 클램프2. 실험 장치3. 시약메틸아세테이트(), 0.2N 수산화나트륨(NaOH), 1N 염산(HCl), 페놀프탈레인 지시약, 얼음물4. 실험 방법1) 25,30,40℃ 세 온도에서의 반응 속도를 동시에 측정할 수 있도록 세 항온조를 준 비하여 온도를 맞춘다.2) 1N염산 100ml의 플라스크와 메틸아세테이트()가 담긴 플라스크를 함께 항온조에 넣어 온도 평형까지 기다린다.(15분 정도 소요, 마개는 항상 막아 두어야 한다.)3) 5ml의 메틸아세테이트()를 산 속에 피펫으로 첨가하고 혼합시간을 기록한다.4) 25℃에서는 10분후 첫 시료 채취, 두 시간 동안 15분마다, 30℃에서는 5분 후 첫 시료 채취, 한 시간 동안 10분마다, 40℃에서는 5분 후 첫 시료 채취, 한 시간 동 안 8분마다 시료를 5ml씩 꺼내어 얼음을 75ml와 혼합하고 NaOH를 이용해 적정 을 실시한다.(C'를 구함)5) lnC=-Kt+1을 이용해 K값을 구한다.:원래의 메틸아세테이트() 몰수 → 5ml의 에스테르의 무게를 재어 메틸아세테이트의 분자량으로 나눈 후 산과 메틸아세테이트를 합한 부피인 105ml로 나눈다.:C는 시간 t에서의 메틸아세테이트 농도이므로 원래의 메틸아세테이트의 몰수에서 C'를 빼주어 구하고 lnC와 t의 그래프를 이용해 K값을 구한다.6) lnK와 1/T의 그래프를 이용해 직선의 기울기로부터 활성화 에너지 Ea를 구한다.Ⅳ . 결과 및 토의1. 실험 결과1) 반응속도상수 결정(1) 25℃에서의 반응속도상수·식초산의 농도 구하기시간식초산의 농도(N)ln[A]t/[A]01차(10분)0.00202차(25분)0.0182.1972253차(40분)0.0983.891824차(55분)0.1664.4188415차(70분)0.1744.465908·기울기는 -K 이므로 K는 -1.1153이다.(2) 35℃에서의 반응속도상수시간식초산의 농도(N)ln[A]t/[A]01차(5분)0.0302차(15분)0.050.5108263차(25분)0.1021.2237754차(35분)0.131.4663375차(45분)0.171.734601·기울기는 -K 이므로 K는 -0.4425이다.(3) 45℃에서의 반응속도상수시간식초산의 농도(N)ln[A]t/[A]01차(5분)0.03802차(14분)0.070.6109093차(23분)0.1181.1330984차(32분)0.1341.2602545차(41분)0.1781.544197·기울기는 -K 이므로 K는 -0.3738이다.2) 활성화에너지 결정·기울기는이므로활성화에너지2. 토의이번 실험은 메틸 아세테이트()의 수소이온 촉매하의 가수 분해 반응을 여러 온도에서 시켜본 후 반응속도상수와 활성화 에너지를 구해보고, 온도와 반응 속도간의 관계를 이해해보는 것이다.화학반응은 느린 반응도 있고 빠른 반응도 있다. 예를 들면 연소나 폭발은 빠른 반응이지만 철의 부식같은 경우에는 느린 반응에 속한다.이런 화학반응 속도에 영향을 미치는 원인은 여러 가지가 있는데 대표적으로 온도에 대한 영향을 말할 수 있다.우리주변에서 온도가 반응속도에 영향을 미치는 예를 찾자면 냉장고를 들 수 있는데 냉장고는 온도가 낮기 때문에 음식물의 부식속도를 늦춰준다.반응속도는 온도 외에도 농도, 반응물질의 표면적, 촉매의 존재 유무에 따라 영향을 받는다. 농도가 증가하거나, 반응물질의 표면적이 증가하거나, 정촉매가 존재할 때에는 반응속도가 빨라진다.반응속도는 온도에 영향을 받는데 보통 10℃올리면 반응속도상수가 약 2배가 되는 반응이 많다는 것이 알려져 있다. 이번 실험결과로 반응 속도 상수를 구해보았는데25℃일 때는 -1.1153, 35℃일 때는 -0.3738, 45℃일 때는 -0.3738값이 나왔다.

공학/기술| 2009.05.27| 9페이지| 1,000원| 조회(959)

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