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[화학보고서] 물의 기화엔탈피와 엔트로피의 변화 평가A좋아요

◎ Abstract1. 실험 목적 및 원리자연에는 에너지가 낮아지는 방향으로 가려는 경향과 엔트로피(무질서도)가 높아지는 방향으로 가려는 경향이 함께 존재한다. 그리고 열역학 제2법칙은 어느 시스템에 국한해서 볼 때는 엔트로피가 감소할 수 있지만 우주 전체적으로는 엔트로피는 항상 증가한다고 말한다. 그러고 보면 엔트로피는 에너지와 함께 자연의 기본적인 양이라고 할 수 있겠다.이 실험에서는 물이 기화할 때 엔탈피와 엔트로피의 변화를 실험적으로 측정하였다.Clausius-Clapeyron Equation : {R ln P_v =- {DELTA H} over {T} + DELTA S위의 Clausius-Clapeyron Equation을 사용하면 온도의 변화에 따른 증기압의 변화를 측정함으로써 물의 기화에 따른 엔트로피 변화를 간단히 구할 수 있다. 여기서 {P_v는 수증기의 증기압이다. 이 식을 보면 여러 온도에서 증기압을 측정하여 {R ln P_v를 {{1} over {T~}에 대해 plot하면 기울기와 절편으로부터 {DELTA H와 {DELTA S를 구할 수 있음을 알 수 있다.또 끓는점에서는 깁스 자유에너지의 변화가 0이므로 {DELTA H- T DELTA S=0, 따라서 {T= {DELTA H} over {DELTA S}가 성립한다. 45~75℃에서 측정한 물의 증기압으로부터 구한 {DELTA H_vap와 {DELTA S_vap로부터 물의 끓는점을 계산할 수 있다.2. 실험 방법1 먼저 1000-ml 비커에 3/4 정도 물을 담아 Hot plate위에서 약 80도까지 가열한다. 그 다음 다른 1000-ml 비커에 얼음을 가득 준비해 둔다. (이 과정까지는 2조가 한 세트만 준비해도 좋다.) 그리고, 시험관에 물을 3/4 정도 채운 다음 얼음 속에 미리 담근다. 하나의 온도계는 가열하고 있는 비커에, 그리고 또 다른 하나는 시험관 속에 넣어 둔다.2 미리 준비된 끝을 막은 5-ml 유리 피펫의 눈금의 없는 부분의 부피를 간접적으로 측정한다. 먼저, 유리 피펫을 잘 말린 다음 (깨끗이 씻은 후, 킴스 와이프 등으로 물기를 닦아 내어도 좋다.) 무게를 정확히 측정한다. 그 다음 5-ml 유리 피펫의 막은 끝에서부터 처음으로 눈금이 나타나는 곳까지 증류수를 채운 다음, 다시 무게를 측정한다. 이 두 무게를 각각 기록해 둔다.3 5-ml 유리 피펫에 증류수를 약 3/4 정도 채운 다음 입구를 막고, 뒤집어 공기 방울이 막은 끝 쪽으로 가도록 한다. 그 다음, 과정 1에서 미리 준비한 시험관에 막은 끝이 위로 가도록 넣은 후 약 4도 정도가 될 때를 기다려 이 공기 방울의 부피를 측정한다. 이 때의 온도와 부피를 기록한다.4 시험관과 온도계 그리고, 5-ml 유리 피펫 한 세트를 이번에는 물중탕으로 옮겨서 80도 정도까지 가열한다. 80도 정도가 되었으면, 물중탕에서 꺼내어 식힌다. 이 때, 75도부터 45도까지 5도 간격으로 수증기 방울의 부피를 측정한다.5 다시 얼음물 속에 집어넣어 4도 정도까지 내려가기를 기다려, 이 때의 부피와 온도를 측정한다.◎ Data and Results1. 실험 데이터4℃에서 물의 부피 : 0.93 ml75℃에서 물의 부피 : 1.73 ml70℃에서 물의 부피 : 1.58 ml65℃에서 물의 부피 : 1.48 ml60℃에서 물의 부피 : 1.33 ml55℃에서 물의 부피 : 1.26 ml50℃에서 물의 부피 : 1.19 ml45℃에서 물의 부피 : 1.13 ml2. 실험 데이터의 처리4℃에서 물의 증기압이 0이라고 가정하고 계산수증기압 : {P`=1-P_air `=1-(T/277)(V_0 / V~)( {V_0: 4℃에서 공기의 부피 ){{T(℃){T(K){V(ml){P(atm){1/T{R ln P4277.150.930(가정)45318.151.130.0547280.003143-24.155350323.151.190.0882820.003095-20.179955328.151.260.1256100.003047-17.248060333.151.330.1590090.003002-15.287765338.151.480.2329020.002957-12.114670343.151.580.2708280.002914-10.860375348.151.730.3243470.002872-9.36107({T: 온도,{V: 수증기를 포함한 공기의 부피,{P: 수증기 압력,{R: 기체상수 8.314 J/K mol )위의 자료를 {{1 } over {T~ }에 대한 {R ln P의 그래프를 그려보면{Clausius-Clapeyron Equation : {R ln P_v =- {DELTA H} over {T} + DELTA S의 식을 가지고 생각해보면{DELTA H_vap＝ 5.41×104 J/mol ＝ 54.1 kJ/mol{DELTA S_vap＝ 1.47×102 J/K mol그러므로 물의 끓는점은{{DELTA H_vap} over {DELTA S_vap}＝ 5.41×104 J/mol ÷ 1.47×102 J/K mol ≒ 368 K ＝ 95 ℃이다.◎ Discussion우선 책에서 이론적인 {DELTA H_vap값과 {DELTA S_vap값을 찾아보면{DELTA H_vap＝ 44.01 kJ/mol{DELTA S_vap＝ 118.81 J/K mol이다. 그리고 물의 증기압 또한 다음과 같다.{온도(℃)45505560657075증기압0.094650.099540.15530.19660.24680.30750.3804이와 같이 실험에서 나온 결과와 이론적인 값이 {DELTA H_vap의 경우 약 23%, {DELTA S_vap의 경우는 약 24%의 오차를 가지고 있었다. 그리고 끓는점을 계산한 값 또한 위의 두 경우에 비하면 작기는 하지만 -5%의 오차를 가지고 있었다.일단 이 실험에서 가정하고 있는 것은 피펫 안의 공기 압력이 바깥 압력과 같다는 것과 4℃에서 물의 증기압이 0이라는 것, 그리고 엔탈피와 엔트로피가 온도가 변해도 일정하다는 것이다.먼저 피펫 안의 공기와 바깥의 압력차이를 생각해 보자. 피펫을 물이 든 시험관에 넣었을 때, 피펫 안의 공기와 높이보다 시험관의 수면의 높이가 더 높아야 한다. 왜냐하면 피펫 안 공기의 온도를 알기 위해서 시험관의 물의 온도를 측정하기 때문에 시험관의 물이 최소한 피펫의 공기가 든 부분을 완전히 감싸야 한다. 따라서 피펫 안의 물의 높이는 시험관의 물의 높이보다 낮을 수밖에 없다. 그러나 이 실험에서 가정한 것과 같이 피펫 안 공기의 압력이 바깥 압력과 같기 위해서는 피펫 안 수면의 높이와 시험관 안의 수면의 높이가 같아야 한다. 하지만 이 실험에서는 피펫 안과 밖의 수면 높이 차가 계속 변하고 있다. 이것이 실험의 결과에 영향을 미칠 수 있다.다음에는 물의 온도가 4℃에서 증기압을 0이라 가정한 것으로 인한 오차를 생각해 볼 수 있다. 하지만 실제로 4℃에서 물의 증기압은 8.028 × 10-3 atm이다. 그러므로 실험의 가정과는 차이가 있으므로 이것 또한 오차의 원인이 될 수 있다. 이것은 실험 결과의 처리에서 구해 놓은 수증기 압력에 오차를 가져왔다.다음으로는 엔탈피와 엔트로피가 온도에 따라 달라지는 것을 생각해 보았다. 구체적인 계산은 하지 않았지만 100℃에서의 물의 기화 엔탈피와 엔트로피는{DELTA H_vap＝ 41 kJ/mol{DELTA S_vap＝ 110 J/K mol으로 위에서의 물의 표준 기화 엔탈피, 표준 엔트로피와 차이가 난다. 이 사실은 오차가 크게 나온 이유를 설명할 수 는 없지만 그래프가 정확히 직선이 아닌 이유를 설명할 수 있다. 그래프를 자세히 보면 {{1 } over {T~ }가 증가할수록 기울기의 절대값, 즉 {DELTA H_vap이 증가함을 알 수 있다. 이것은 온도가 증가할수록 기화 엔탈피의 값이 작아지는 사실과 일치한다. 따라서 그래프가 완전한 직선이 되지 못한다.이밖에도 여러 가지의 오차의 원인을 들 수 있다.원래 피펫의 눈금이 없는 부분의 부피를 측정하는 실험을 하지 않고 조교님이 가르쳐 주신 0.28 ml로 계산을 하였는데 실험을 하는 도중에 살펴보니 눈금이 없는 부분에 물이 완전히 빠지지 않은 것을 직접 눈으로 확인해 볼 수 있었다. 피펫의 끝이 막힌 좁은 부분에 물이 완전히 제거되지 않아서 그냥 실험을 했는데 0.28 ml에서 그 부피를 빼주지 않고 그냥 계산을 한 것이 오차를 가져 왔을 것이다.

자연과학| 2003.09.23| 4페이지| 1,000원| 조회(422)

엔트로피, 화학, 기화엔탈피

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