Ⅰ.Introduction이산화탄소()는 기체인 것은 탄산가스, 고체인 것은 드라이아이스라고도 한다. 이산화탄소()의 비중은 1.529(공기 1), 밀도는, 승화점은그리고 녹는점(3중점)은이다. 공기 속에 약 0.03% 들어 있고 천연가스나 광천가스 등에도 섞여 있는 경우가 많다. 공업적으로는 석회석을 세게 가열하여 만들기도 하고 또는 석탄 등을 태워 생기는 가스를 탄산염 용액에 흡수시켜 만들기도 한다. 보통 상태에서는 조연성도 가연성도 없고 색도 냄새도 없는 기체이다. 이산화탄소()가 가장 많이 첨가되는 식품으로는 콜라나 사이다와 같은 탄산음료가 있다. 또한 빵을 만들 때 사용하여 빵반죽이 부풀게 만들기도 한다. 그리고 조연성이 없음을 이용하여 소화제로 이용되기도 한다. 이처럼 많은 곳에 이용되고 있는 이산화탄소는 지구가 발생한 초기에는 이산화탄소()가 대기 중에 대부분을 차지하고 있었으나 이산화탄소()를 고정하는 생명체인 녹색 식물들과 이산화탄소를 방출하는 동물이 균형을 이루어 지금의 대기 조성을 이루고 있다. 최근에는 산업이 급속히 발달함에 따라 이산화탄소에 의한 온실효과가 심각한 환경 문제로 떠오르고 있다.이와 같은 화학에서 다루는 물질의 특성이나 성질은 원자들 몇 개 또는 수십 개가 모여 이루고 있는 분자에 의해 정해진다. 따라서 우리는 이러한 분자의 존재와 함께 분자의 성질을 이해하여야만 화학의 핵심적인 내용을 연구하는 것이다. 원자를 연구하는 것도 결국은 분자세계를 좀더 잘 알 수 있기 위함이다. 분자를 연구하는 데에 있어서 가장 먼저 분자가 어떠한 원자들로 어떠한 구조를 이루며 구성되어있는가를 알아야 할 것이다. 여기서 분자량이라는 중요한 개념을 도입시킬 수 있다. 분자량은 그 분자를 이루고 있는 원자들의 원자량을 모두 합한 값이다. 따라서 어떤 종류의 원자가 몇 개씩 모여 분자를 이루었는지를 알고 있다면 원자량으로부터 분자량을 쉽게 구할 수 있다. 위의 이산화탄소()는 C의 원자량이 12이고 O의 원자량은 16인데 이산화탄소에는 탄소가 하나 산소가 두개 있으므로 분자량이 44가 되는 것이다. 이산화탄소의 분자량은 C나 O의 원자량보다 중요한 의미를 가진다. 이 실험에서는 분자량을 측정하는 법을 배우게 되고 분자량이 어떤 의의를 가지고 있는지 살펴본다.*.아보가드로의 가설(Avogadro's hypothesis)1811년에 아보가드로는 이후 아보가드로의 가설(Avogadro's hypothesis)라고 불리는 다음과 같은 가설을 세웠다.같은 온도 압력에서 같은 부피를 가진 서로 다른 기체들은 동일한 수의 입자를 가진다.여기서의 입자는 바로 분자이다. 그 당시의 돌턴의 기본입자인 원자의 중요성에 너무 집착하여 분자의 존재에 대해 알고 있지 못했다. 그러나 아보가드로는 원소들은와 같이 이원자 분자로서 존재할 수 있다는 견해를 가지고 있었다. 이로써 아보가드로는 게이-뤼삭의 부피결합의 법칙을 설명할 수 있었다.여기서 계수들은 게이-뤼삭의 실험에 나온 반응물과 생성물 기체의 부피에 비례하고 화학식은 현대적 결과와 일치한다. 반면에 돌턴은 다음과 같이 썼을 것이다.이 계수들은 게이-뤼삭이 관찰한 상대 부피들과 일치하지 않는다.이와 같이 아보가드로는 분자의 개념도 확립되기 전에 원자가 아닌 분자에 대한 가설을 세웠다. 그렇다면 이를 이용하여 우리는 같은 온도와 압력하에서 기체의 밀도를 비교해서 분자량을 구할 수 있게 된다.Ⅱ.Experimental Procedure① 실험A : 드라이아이스 만들기 (이번 실험에선 생략함)ⅰ. 이산화탄소의 탱크에 dry ice maker와 collection bag을 연결하고 gas regulator의 밸브를 조금씩 열면서 드라이아이스를 만든다. 고압 가스 탱크를 사용할 때는 regulator의 밸브를 잠근 상태에서 밸브를 열었다가 잠가서 탱크와 regulator 사이에 압력이 걸리도록 한 다음 regulator의 밸브를 열어야 한다.② 실험B : 이산화탄소의 삼중점 관찰ⅰ. 드라이아이스 대략 10g으로 가루로 만들어 깔대기를 사용, 타이곤 튜브에 넣는다.ⅱ. 타이곤 튜브 양끝을 니플로 연결하고 승화하는 가스가 공기를 밀어내도록 잠시 기다린다.ⅲ. 테플론 테이프로 튜브 이음새를 가능한 빨리 감싼다.ⅳ. 조임새로 니플 안쪽, 즉 튜브 이음새 옆을 꽉 죈다. 가스 새는 소리가 나지 않을 때까지 기다린다. 이 떄 튜브를 손으로 문지르면 드라이아이스가 더 빨리 액화된다.ⅴ. 바킹 하나의 조임새를 조금 풀어주면 액화된 이산화탄소가 응고되는 현상을 볼 수 있다.③ 실험C : 이산화탄소의 분자량 측정ⅰ. 250mL 플라스크(플라스크 + 공기)와 유리판의 무게 측정ⅱ. 플라스크 속에 드라이아이스를 약 4g정도 넣고 드라이아이스가 모두 없어지면 유리판을 덮고 무게(플라스크 + 유리판 +) 측정ⅲ. 온도계로 플라스크 내 온도 측정ⅳ. 플라스크 속에 물을 채워 물의 부피를 통해 플라스크 부피 측정Ⅲ. Data and Results(1) 실험B : 이산화탄소의 삼중점 관찰드라이아이스를 튜브에 넣고 이음새를 꽉 조이고 나서 드라이아이스가 있는 부분의 튜브를 문질러주면 튜브 속에 이산화탄소 기체가 가득 차게 되어 압력이 높아져 팽팽해진다. 이후 점점 압력이 높아지면서 고체의 드라이아이스가 액체로 변하는 것을 볼 수가 있었다.CO2의 삼중점 5.117atm -56.57°C(2) 실험C : 이산화탄소의 분자량 측정(플라스크 + 유리판 + 공기)의 질량: 79.945g(플라스크 + 유리판 + CO2)의 질량: 80.24g플라스크의 부피: 136mL플라스크 안의 온도: 24.5°C기압: 0.979*10^5Pa(일정 성분비 실험에서의 값을 사용)공기의 질량: 위의 데이터를 PV=(m/M)RT (m은 공기의 무게)에 대입하면 (공기의 분자량 : 28.96g/mol, R=0.08206Latm/molK)0.966atm*0.136L=(m÷28.96g/mol)*0.08206Latm/molK*298.5Km≒0.155g 이다.이산화탄소의 질량: (플라스크+유리관+이산화탄소)의 질량-(플라스크 +유리판+공기)의 질량 + 공기의 질량 = 이산화탄소의 질량이산화탄소의 질량: 79.945-80.024+0.155 = 0.076g이산화탄소의 분자량: PV = (w/M)RT (w: 이산화탄소의 질량, M: 이산화탄소의 분자량)0.966atm*0.136L = (0.076g/M)0.08206Latm/molK*298.5KM≒14.17이다.실제 이산화 탄소의 분자량: 44.01실제 이산화탄소의분자량실험에서의 분자량오차이산화탄소의분자량44.0114.1729.84Ⅳ. Discussion압력(atm)1*************310.30.10.030.010.003온도(K)(T : 삼중점, C : Critical point)위의 그림을 보면 첫 번째 실험을 쉽게 설명할 수 있다. 먼저 그림을 볼 때 일반적인 상온 상태에서는 드라이아이스 즉 고체상태의 이산화탄소는 기체로 승화 할 수밖에 없음을 알 수 있다. 이산화탄소의 삼중점은 5.117atm, -56.57℃(216.43K)인데 일반적인 상태 즉 1atm, 20℃에서는 그림에서 T-C선의 오른쪽 하단에 해당하기 때문에 승화 할 수밖에 없는 것이다.실험에서 타이곤 튜브에 드라이아이스를 넣으면 위의 이유로 드라이아이스가 승화된다. 기체가 승화하면서 상당한 열을 흡수하여 주위의 온도를 낮추게 되고, 또 타이곤 튜브의 이음새를 막고 시간이 지나면 타이곤 튜브내의 압력이 급격히 증가하게 된다. 그러면 상태가 그림에서 T-C선의 위로 이동하게 되어 액화가 되기 시작한다. 여기서 이음새를 풀어서 압축된 이산화탄소를 공기 중으로 방출시키면 급격하게 떨어져서 이산화탄소가 응고가 되는 것이다. 실험자가 수행한 실험에선 튜브의 일부가 많이 약화되어 압력을 조종하기가 쉽지 않았고 기화된 이산화탄소의 제 응축을 제대로 확인하기가 힘들었다.두 번째 실험이었던 실험C는 이산화탄소()의 분자량을 구하는 실험이었다. 이 실험에서는 아보가드로의 법칙과 이상기체방정식을 이용하여 이산화탄소의 분자량을 측정할 수 있었다. 즉위의 식을 이용하여 식을 풀기 위해 필요한 이산화탄소의 무게와 온도, 부피 그리고 실험실의 기압을 측정하여 이산화탄소의 부피를 구하였다. 실험자가 구한 이산화탄소(
Ⅰ.Introduction발견 당시 아무리 훌륭한 약이라도 세월이 흘러 더 좋은 약이 나오면 뒤로 밀리고 폐기되는 운명에 처하게 된다. 그러나 세상에 나와 거의 1백년이 되었어도 그 약효 그대로 애용되는 약이 있다. 감기 몸살 두통에 사용되는 아스피린(aspirin)이 그것이다. 아스피린은 본래 개발사인 독일 바이어(Bayer)의 등록 상품명이었으나 제1차 대전 후에 많은 국가에서 일반명이 되었다. 아스피린은 1897년 펠릭스 호프만(Felix Hoffmann)이 아버지의 류머티즘 치료약을 찾다 우연히 발견한 약이다. 이번 실험에서는 이러한 아스피린을 만들어보고 유기합성에 의해 만들어진 아스피린으로 녹는점을 측정하여 순도를 알아보고 그것을 통해 유기 합성의 의미를 생각해 볼 것이다.*.아스피린간단한 유기 반응 중의 하나는 카르복시산(carboxylic acid)과 알코올이 반응하여 에스터(ester)를 형성하는 것이다.이 식에서 R과 R?는 수소 또는 메틸, 에틸, 방향족이 될 수 있다. 많은 유기산과 알코올이 있으므로 에스터도 많다. 그리고 이것은 적어도 위의 반응과 같은 원리로 형성된다. 반응이 일어날 수 있는 원동력은 일반적으로 매우 크지 않다. 따라서 에스터, 물, 산, 그리고 알코올들이 평형상태의 혼합물로 존재한다. 원자량이 매우 크거나 다른 성질 때문에 고체로 존재하는 몇몇 에스터가 있다. 이런 에스터의 대부분은 물에 녹지 않아서 결정에 의해 혼합물로부터 분리할 수 있다. 이 실험은 이런 종류의 에스터를 처리하는 실험이고 이 기질은 일반적으로 아스피린이라고 부른다. 아스피린은 두통약의 활성 성분이고, 상대적으로 독성이 없고, 고통을 없애는 매우 효과적인 의약품중의 하나이다.아스피린은 살리실산 분자에 있는 작용기(functional group) -OH기와 아세트산에 있는 카르복시기(-COOH)의 에스테르화 반응(esterification)에 의해서 만들어진다. 아스피린을 만드는 좀더 나은 제법은 아세트산 대신에 아세트산 무수물(acetic anhydride)을 이용하는 방법이다. 순수한 알코올은 무수알코올이라 하지만 순수한 아세트산은 빙초산이라 부르며, 아세트산 무수물과는 다르다. 아세트산 무수물은 아세트산 2분자에서 물 1분자가 빠진 (CH3CO)2의 구조를 가지며 산성을 나타내지 않는다. 아세트산 무수물은 상온에서 물과 반응하여 아세트산이 되며 아세트산에 비하여 에스테르화 반응에서 반응 속도가 빠르고 수득률이 높다. 이런 무수물은 물 분자와 반응하여 에스테르화 반응을 일으키며 반응을 오른쪽으로 가게 하는 경향이 있다. 여기에 촉매로 진한 황산이나 인산을 사용하면 반응의 속도가 빨라지게 만들 수 있다.Ⅱ.Experimental Procedure*.실험 방법ⅰ) 살리실산 2.5g을 50mL 삼각플라스크에 넣고 아세트산 무수물 3mL을 넣는다. 이때 용기 벽에 묻은 살리실산을 모두 씻어낼 수 있도록 용기 벽을 따라 무수물 이 흘러내리도록 한다.ⅱ) 그림과 같이 물중탕 장치를 준비하여 삼각플라스크를 고정시킨다.ⅲ) 85% 인산 3～4방울을 넣고 70～85℃로 유지하여 10분간 가열하면 반응이 완 결된다.ⅳ) 이 용액에 증류수 2mL를 조심스럽게 넣어 반응하지 않고 남아있는 아세트산 무수물을 분해시킨다.ⅴ) 아세트산 증기가 더 이상 발생하지 않으면 플라스크를 물중탕에서 꺼내 증류 수 20mL를 넣어주고 실온까지 냉각시킨다.ⅵ) 아스피린 결정이 생성되지 않을 경우 플라스크를 얼음물로 냉각시키고 유리 막대로 플라스크 안쪽을 긁어준다.ⅶ) 생성된 결정을 감압 여과기로 걸러낸 후 5mL의 얼음물로 씻고 다른 거름종이 로 옮겨 공기 중에서 10～20분 동안 말려서 무게를 재고 녹는점도 측정한다.Ⅲ. Data and Results*.사실 실험은 아스피린의 수득률과 녹는점 측정 두 가지를 수행할 계획이었으나 실험의 편의상 녹는점만을 측정해 아스피린의 순도를 알아보았다.*.아스피린의 녹는점 측정?이론상 살리실산의 녹는점 : 159℃?이론상 아스피린의 녹는점 : 135℃?실험을 통해 얻은 아스피린의 녹는점 : 136.5℃*.아스피린의 수득률? 살리실산의 실험식살리실산의 분자량 :? 아스피린의 실험식아스피린의 분자량 :아세트산 무수물은 살리실산이 충분히 반응할 만큼 있으므로, 살리실산이 제한 요인이 된다.? 살리실산의 분자량 : 아스피린의 분자량 = 살리실산의 반응량 : 아스피린의 수득량이므로138.13 : 180.17 = 2.50(g) : X(g)X =이와 같은 방법으로 아스피린의 수득량을 결정할 수 있다.수득률(%)?Ⅳ. Discussion이번 실험은 아스피린을 합성하는 실험이었다. 실험 결과 하얀색의 결정인 아스피린이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이것의 녹는점을 통해 보았을 때 비교적 순수한 아스피린이 생성되었다고 생각할 수 있다. 살리실산의 녹는점이 159℃이고 아스피린의 녹는점이 135℃인데 녹는점이 136.5℃가 나왔다는 것은 약간의 불순물이 있긴 하지만 비교적 순수한 아스피린이 얻어졌다는 것으로 해석할 수 있다. 좀더 정확한 순도를 알아내기 위해서는 적정법을 이용하여 측정할 수도 있지만 이 실험에서는 녹는점을 측정함으로써 순도 측정을 대신하였다. 이외에도 순도를 측정하는 방법에는 반응물이 살리실산이고 생성물이 아스피린이기 때문에 살리실산과 아스피린의 물리, 화학적 특성의 차이를 이용하면 순도를 측정할 수 있을 것이다.실험 과정 ⅲ번에서 첨가한 85% 인산은 촉매이며 인산 대신에 진한 황산을 넣어주어도 상관없다. 아스피린을 만들 때 살리실산과 아세트산 무수물은 에스테르화 반응에 의해 아스피린을 생성하게 되는데 에스테르화 반응이란 카르복시산과 알코올을 산 촉매하에서 반응시키면 에스테르가 생성되는 반응이다. 따라서 촉매로 인산을 사용하던 황산을 사용하던 상관없는 것이다. 이러한 에스테르화 반응의 특징은 이번 아스피린의 생성 실험에서 아세트산을 사용하지 않고 아세트산 무수물을 사용한 이유이기도 하다. 에스테르화 반응에 의해 생성된 에스테르는 물과 반응하여 가수 분해 반응을 일으켜 다시 카르복시산으로 변하게 된다. 만약 이 실험에서 아세트산을 사용하게 되면 살리실산과 반응 후 물을 생성하여 수득률을 떨어뜨리게 되므로 물과 반응하여 아세트산을 생성시키는 아세트산 무수물을 사용하였던 것이다. 따라서 반응 시 나오는 아세트산 증기는 반응하지 않고 남아있던 아세트산 무수물이 물과 반응하여 나오는 것이라고 할 수 있다. ⅲ번 실험 과정에서 70～85℃를 유지하며 10분 동안 물중탕시키는 이유는 온도를 높여주어 반응의 속도를 빠르게 하기 위해서이다. 따라서 ⅲ번 과정은 반응을 빠르게 하여 아스피린을 빨리 얻기 위한 것이다. 실험 과정 중 아스피린의 결정이 생길 때 플라스크를 냉각시켜주는데 이것은 생성된 아스피린이 높은 온도에서 용해도가 크므로 냉각시켜 재결정하기 위해서이다.
Ⅰ.Introduction무게 분석법(Gravimetric analysis)에서는 생성물의 질량을 이용해서 원래 알고자 하는 물질의 양을 결정하는 방법이다. 1914년 노벨 화학상을 받은 T.W. Richard와 그의 동료들이 30가지 이상의 원자량을 정확하게 결정하는데 사용한 방법 역시 이 방법이었다.이번 실험에서는 이러한 무게 분석법을 이용해서 바륨의 원자량을 확인하고자 한다. 관계된 반응식은 다음과 같다.Ag+ + Cl- --> AgCl (s)사용하는 시료에서 바륨을 제외한 원자들의 원자량을 알고 있다고 가정해 보자. 물론, Ba과 Cl가 1:2로 결합하고 있다는 것도 알고 있다. 그 다음, BaCl2와 AgNO3의 무게를 정확하게 측정해서 용액을 만들어 반응시키면, AgCl의 침전이 형성될 것이고, 이 침전물의 무게로부터 원래 용액에서 Cl- 농도와 처음 BaCl2용액에 들어 있던 Cl-의 전체 무게를 알 수 있다. 그리고 이 값과 처음에 측정한 BaCl2의 무게로부터 원자 번호 56번인 Ba의 원자량을 결정할 수 있다.(1) 기본 배경19세기의 과학자들이 원자량을 결정하는 데는 두 가지 방법이 중요하게 사용되었다. 우선은 1811년에 제안된 아보가드로의 원리가 핵심적인 역할을 했다. 아보가드로의 원리를 통해서 기체 밀도로부터 여러 가지 기체화합물의 분자량을 측정하면 결합 양식으로부터 원자량을 계산할 수 있게 된다. 두번째로 기체 화합물을 만들지 않는 대부분의 원소에 대해서는 아보가드로의 원리를 적용할 수 없기 때문에 이러한 경우에는 Dulong과 Petit가 발견한 경험적 사실이 중요한 역할을 하였다. 1819년에 뒬롱과 쁘띠는 녹는점이 실온보다 높은 대부분의 원소에서는 일정 부피 하에서의 몰비열(constant volume molar heat capacity, Cv)이 대략 아래와 같은 값을 가지는 것을 경험적으로 보여주었다.dE/dT ≒ 25 J?mol-1?K-1고체에서 원자들이 용수철로 3차원적으로 서로 연결된 모델에서 운동에너지와 위치에너지의 합은 3RT로 주어지는 것으로부터 비열은 3R(24.9 J?mol-1?K-1)임을 알 수 있는데, 뒬롱과 쁘띠는 볼츠만 상수, 아보가드로수, 절대온도 등이 알려지기 전에 이미 경험적으로 원자량의 결정을 가능하게 했던 것이다.(2) 원자량의 정의질량수 12인 탄소 원자를 12.00으로 정하여 나타낸 상대적인 질량비를 말한다.①평균 원자량 : 자연계에 존재하는 동위 원소 간의 질량수를 평균한 값.②분자량과 화학식량 : 구성 원소의 원자량을 모두 더한 값Ⅱ.Experimental Procedure*.실험 기구 및 시약47Ag (107.8682 gmol-1)17Cl (35.4527 gmol-1)BaCl2?2H2O, AgNO3 (169.8731gmol-1), HNO3데시케이터, Hot plate , 오븐 (Oven)100ml 부피 플라스크(Volumetric flask) X 2 , 10 ml 피펫비이커, 거름종이, 뷰흐너 깔때기*.실험 방법1) AgNO3약 5g을 측정해서 500-ml 부피 플라스크(volumetric flask)에 녹인다.2) BaCl2?2H2O의 약 3.0525g 정도를 정확히 측정해서 1)과 마찬가지로 250ml 부피 플라스크 (volumetric flask) 에 증류수로 녹인다.(위의 시료들은 110oC 오븐(oven)에서 1시간 이상 건조시킨 후, 데시케이터에서 식혔다.)(위의 1과 2 과정은 세 조당 하나씩 용액을 만들도록 한다.)3) BaCl2?2H2O용액 15ml를 피펫으로 정확하게 재어서 100-ml 비이커로 옮기고, AgNO3 용액 약 30ml 이상을 넣어 주고 변화를 관찰한다.4) 침전이 생긴 위의 용액을 10분 정도 가열한 후에 천천히 식히면서 변화를 살펴본다. (옅은 보라 색의 침전이 형성될 것이다.)5) 거름종이의 무게를 재고(0.001g까지), 침전물을 뷰흐너 깔때기로 거른 후 0.01M의 질산용액과 증 류수로 여러 번 씻어준다.6) 거름종이와 침전물을 약 110℃ oven에서 무게가 변하지 않을 때까지 건조시킨 후 그 때의 무게 를 기록한다.Ⅲ. Data and Results거름종이 + AgCl 의 무게0.66g거름종이의 무게0.480g침전된 AgCl의 무게0.18gBaCl2 B의 농도12.21g/1L반응한 BaCl2 의 무게0.18315gCl의 원자량35.4527g/molAg의 원자량107.8682g/molAgCl의 분자량143.3209g/mol*.실험 결과 처리결과 처리: 방법1(반응에 참가한 바륨이 BaCl2의 형태로 존재한다고 가정)1)측정된의 무게로부터 구한 원래 용액 속에 들어있던의 몰 수거르기 전의 거름종이의 무게:0.480g거른 후의 거름종이의 무게:0.66g몰수:처음용액에 들어있던에 해당하는 무게를 계산2)처음에 측정한의 무게에서와에 해당하는 무게는 각각 얼마인가? 그리고 이들의 무게 비는 어떠한가?의 무게:0.18315-0.0445=0.13865:=6.231:13)이들의 비로부터Ba의 원자량을 계산해 보자(단, 전자의 질량은 무시한다.):=:35.453=220.758오차:60.75%결과처리:방법2의 상태로 존재한다고 가정1) Cl의 질량은 방법1 과정에서 구한 것과 차이가 없으므로 0.0445g 이며의 전체의 질 량은 위의 과정 1)에서 나타낸 것과 같이 0.18315g 이다. 여기서 질량의 비가 약 Cl2:2H2O=71:36 가 된다. 그러므로 Cl이 0.0445g 이면는0.023g 이다. 결국 Ba의 질량은 0.183g에서 이 두 질량을 뺀 값이 된다. 0.18315-0.045-0.023=0.115g 이 나온다.2) BaCl2의 상태로 존재한다고 할 때와 마찬가지로에서 Ba와 Cl은 1:2 이라는 몰 비를 갖는다.즉 Ba의 원자량을 x 라 두면 (0.115 / x) : (0.045 / 35.453) = 1 : 2 에서x=181.204g임을 알 수 있다.3) 오차율은 31.95%가 나왔다.Ⅳ. Discussion이번 실험은 두 물질을 반응시켜 얻은 침전물의 질량을 측정하여 반응물에 포함된 원소의 원자량을 구하는 실험이었다. BaCl2와 AgNO3을 반응시켜 AgCl의 침전을 얻어 질량을 구해서 Ba의 원자량을 구해 보았다. 여기서는 Ag+ + Cl- =AgCl (s)의 반응이 일어났다. BaCl2 + 2AgNO3 =2AgCl + Ba2+ + 2NO3- 의 반응식을 알고 있다고 가정을 하고 염화바륨과 염화은 침전의 몰 수비를 이용하여 바륨의 원자량을 구했다. 바륨의 원자량은 두 가지 서로 다른 가정에서 도출했고, 위의 결과에서와 같이 각각 220.758과 181.204의 결과를 얻을 수 있었다. 사실 염화바륨은 수화물의 형태로 존재함으로 181.204의 값을 신뢰해야 할 것이다. 실제의 값인 137.327과 비교하면 다소의 오차가 있는데, 그 원인은 다음과 같다.*.오차의 원인1.혼합용액을 가열한 후에 감압여과기와 뷰흐너 깔때기를 이용해서 여과를 시킬 때 뷰흐너깔때기와 거름종이가 살짝떠서 AgCl의 많은 양이 거름종이를 지나치지 않고 걸러졌기 때문에 측정된 AgCl의 양이 줄어들어서 Cl의 질량이 작게 측정되었다. 그리고 실험 용기에 남아 있을 수 있는 침전물도 오차를 발생시킬 수 있다.
Ⅰ.Introduction고체 수산화나트륨을 염산에 넣으면 중화반응이 일어나고, 이때의 반응열을라고 부르기로 한다.수산화나트륨과 염산의 중화반응은 다음과 같이 두 단계를 거쳐 일어나게 만들 수도 있다. 즉 고체 수산화나트륨을 먼저 물에 녹여서수용액을 만들고, 그 수용액을 염산으로 중화시킨다.이 과정에서의 반응열을 각각와으로 부른다면 헤스의 법칙에 따라서의 관계가 성립한다.이와 같이 물질이 반응할 때 처음상태와 나중상태가 같으면 반응 경로에 관계없이 반응열의 총합은 일정하다. 이것을 총열량 불변의 법칙 또는 헤스의 법칙(Hess Law)이라고 한다. 대부분의 화학 반응은 일정한 압력 하에 일어나고, 일정한 압력 하에서 열 출입을 결정하는 엔탈피는 무척 중요하다고 할 수 있다. 엔탈피는 상태함수이기 때문에 출발 물질과 최종 물질이 같은 경우에는 어떤 경로를 통하더라도 그 경로에 관여된 엔탈피 변화의 합이 같다는 것이 헤스의 법칙이다. 엔탈피를 조사하는 일은 대단히 중요하며, 따라서 헤스의 법칙도 화학에서 중요한 자리를 차지한다. 고체 수산화나트륨의 용해열과 중화열은 간단히 측정이 가능해서 쉽게 헤스의 법칙을 확인할 수 있다. 이번 실험에서는 수산화나트륨과 염산의 반응을 단계별로 진행시켜 각 단계의 엔탈피를 측정하고 헤스의 법칙이 상태함수임을 확인해본다.Ⅱ.Experimental Procedure*.실험 기구 및 시약250ml 비이커 3개, 눈금 실린더, 온도계, 저울, 단열재 스티로폼, 고체 수산화나트륨 약간, 0.5M NaOH, 0.5M HCl*.실험 방법1.의 측정① 250ml 비이커를 씻어서 말린 후에 무게를 0.1g 까지 측정하고 스티로폼 컵에 담아서 단열이 되도록 한다.② 1.00M 염산용액 100ml를 넣고 온도를 0.1도까지 정확하게 측정한다.③ 약 2g의 고체 수산화나트륨을 0.01g까지 재빨리 달아서 플라스크에 넣고 흔들어준다.④ 용액의 온도가 가장 높이 올라갈 때의 온도를 기록하고, 조금 기다린 후에 플라스크의 무게를 잰다.2.의 측정앞의 실험에서 사용된 염산용액 대신에 증류수 100ml 로 실험을 반복한다.3.의 측정① 실험 1과 같이 비이커 250ml의 무게를 측정하고, 스티로폼 컵에 담아서 단열이 되도록 한다.② 2.0 M 염산용액 50ml를 넣고 온도를 0.1도까지 측정한다.③ 눈금실린더에 2.0 M NaOH 용액 50ml를 취해서 온도를 측정하여 염산용액과 온도가 같은가를 확인한다.④ 수산화나트륨 용액을 염산용액에 재빨리 넣고, 온도가 가장 높이 올라갔을 때 온도를 기록한다.Ⅲ. Data and Results1.의 측정비커의 무게 : 111.1g약포지의 무게 : 0.245g고체의 무게 : 2.017g, 0.0504mole중화된 용액과 비이커의 무게 : 207.119g중화된 용액의 무게 : 95.774g용액의 온도변화 : 2739℃(12℃)2.의 측정비커의 무게 : 111.1g약포지의 무게 : 0.282g고체의 무게 : 2.004g, 0.0501mole용액과 비이커의 무게 : 207.484g용액의 무게 : 96.102g용액의 온도변화 : 2729.5 ℃(2.5℃)3.의 측정비커의 무게 : 111.1g중화된 용액과 플라스크의 무게 : 208.75g중화된 용액의 무게 : 97.65g용액의 온도변화 : 2738 ℃(11℃)반응한의 몰수 : 0.1mole각 실험에서 열량계가 흡수한 열량은 다음과 같다.= [C * W1 + 0.85 * W2] * ?T(C=물의 비열, W1: 수용액의 무게, W2: 비커의 무게)===위의 반응들은 모두를 한계반응물로 하여 이루어진다. 이 사실을 이용해 각각의 반응에서의 엔탈피를 몰당 값으로 변환하였다.Ⅳ. Discussion실험2.와 실험3.의 반응식을 더하여 보면가 되어 실험1.의 반응식과 같아진다. 그러므로 헤스의 법칙에 의하여 실험2, 실험3의 엔탈피 변화를 더하면 실험1의 엔탈피 변화와 같은 값이 나와야 한다. 여기서 엔탈피 값을 반응계가 흡수한 열량으로 대체하여 계산할 수 있는 것은에서 반응엔탈피가 일정한 압력하에서의 반응열과 같기 때문이며로 한다.이번 실험에서는 실험결과가 이론적인 계산과 정확히 일치하지는 않았다.실험결과가 예상한 것과 다소 다른 가장 큰 이유는 측정상의 오차이다. 단열이 완벽하게 이루어지지 않았기 때문에 필연적으로 열손실이 발생하게 되는데 손실되는 열의 양을 측정하는 것이 불가능하기 때문에 엔탈피 변화를 정확하게 측정할 수 없는 것이다. 이러한 열손실은 반응속도를 빠르게 할 경우 다소 줄일 수가 있는데 이를 위해서는를 잘게 부수어 반응시키는 것이 좋을 것이고 초기 온도를 높이는 것도 도움이 될 것이다. 또 온도를 육안으로 측정해야 했는데 온도계의 눈금 사이의 간격이 너무 촘촘할 뿐 아니라 소수점 아래로는 눈금이 나와 있지 않아서 온도를 측정하는 데에서도 오차가 발생하였을 것이다. 질량을 측정한를 비이커에 넣는 과정에서 손실되는 양을 줄이고 실험의 편의를 위해 약봉지를 함께 넣어 반응을 일으킨 사실도 약봉지의 비열 등을 고려해야함으로 사실 오차를 일으키기에 충분한 요인일 것이다. 또, 실험 설계상의 오류도 있다. 예를 들면 수용액의 무게를 재기 위하여서 반응이 끝난 후의 비이커의 무게에서 순수한 비이커의 무게를 빼는데 이렇게 하여 계산된 수용액의 질량에는 소량이지만의 질량도 포함되어 있는 것이다. 그리고 반응계가 흡수한 열량을 계산하기 위해서 물의 비열인 4.18J/gK과 비이커의 비열인 0.85J/gK을 사용하였는데 이것 역시 오차의 원인이 될 수 있다. 실험에 사용한 것은 순수한 물이 아닌 HCl용액과 NaOH 용액이기 때문이다. 지금 언급한 많은 실험설계 상의 오류 각각은 실험결과에 영향을 조금 밖에 끼치지 못하지만 실험 전체로 보았을 때에는 정확한 실험을 불가능하게 하는 것들임에는 틀림없다.헤스의 법칙을 이용하면 우리가 예측할 수 없는 많은 반응의 반응열을 측정하여 이용할 수 있다.(1)(2)(3)에서 (1)＋(2)－(3)에 의하여의 반응식이 구해지며, 반응열도 동시에 구할 수 있다. 반대로의 반응열과 식 (1), (3)의 반응열을 안다면 식 (2)의 반응열도 구할 수 있는 것이다.헤스의 법칙은 총열량보존의 법칙이라고도 하는데 이것은 헤스의 법칙 또한 에너지보존법칙의 한 형태이기 때문이다. 여기서 에너지보존법칙이란 닫힌계가 가지는 에너지 총계는 어떤 물리화학적 변화가 일어나도 불변임을 의미하며, 열의 출입이 있을 경우에는 외계에서 흡수된 열량(熱量)과 외력이 한 일의 합이 그 계의 에너지 증가가 되는데, 이것을 열역학의 제1법칙이라 한다. 헤스의 법칙은 엔탈피가 상태함수라는 것에서 유도된 것인데 상태함수란 계의 주어진 상태에 의해서 결정되고 그 상태에 도달하기까지의 과정과는 전혀 무관한 성질을 의미한다. 또 엔탈피는 열함량이라고도 하는데 물질계의 내부에너지가 U, 압력이 P, 부피가 V일 때 그 상태의 엔탈피 H는 H=U＋PV로 표시된다. 원래 내부에너지는 절대값을 얻기 힘든 양이므로 보통 열함량은 열적 변화에 따르는 증감을 주로 다루며 이를
Ⅰ.Introduction크로마토그래피(Chromatography)는 ‘Chromos’라는 색(Color)을 의미하는 단어와 그림을 의미하는 ‘graphy’라는 단어가 합쳐져서 만들어진 단어이다. 아마도 초등학교 시절에 분필에 싸인펜으로 선을 그리고 분필 하단을 물에 담궈 놓은 후에, 싸인펜의 색소가 여러 개의 띠로 분리되는 것을 관찰한 적이 있을 것이다. 크로마토그래피는 초기에는 바로 그러한 여러 가지 색이 서로 분리되어 나타나는 현상을 의미하였으며, 근래에는 혼합물에서 여러 가지 성분을 분리 정량하는 기술을 나타내는 단어로 의미가 발전하였다.크로마토그래피는 혼합물의 각 성분을 분리하는 방법으로 최근 분리, 검출, 정량이 온라인으로 가능하게 되어 분석 방법에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 이런 크로마토그래피의 종류는 여러 가지가 있으나 모두 똑같은 원리가 적용된다. 그 원리라는 것은 상분포의 원리로써, 각 성분들의 평형 상수가 달라서 정지상에 의해 세게 붙잡혀 있는 성분일수록 정지상에 큰 비율로 존재하고 약하게 붙잡혀 있는 성분일수록 이동상 속에 존재 비율이 크다는 점이다. 따라서 정지상에 의해 덜 세게 흡착되는 성분들은 이동상이 흐르는 방향을 따라 더 빠른 속도로 정지상을 통과하게 되며 그 속도 차이로 각 성분들은 분리되는 것이다. 이런 조작을 용리라 하고 용리 시간에 따른 각 성분의 농도 그래프를 크로마토그램이라 한다. 크로마토그래피의 종류는 다음과 같이 나누어진다. 크로마토그래피는 이동상의 상태에 따라 보통 크게 GC와 LC로 나누고 정지상의 상태와 종류에 따라 세분되며 또한 정지상을 컬럼에 넣고 용리시키는 컬럼법과 정지상을 얇은 판 위에 묻히거나 거름종이를 사용하는 판법으로 세분된다. 이번 실험에서는 종이크로마토그래피를 이용하여 아미노산을 분리해 보고, 용매의 극성과 pH값의 차이가 Rf값에 미치는 영향을 알아본다.*.실험 원리분자의 극성을 나타내는 쌍극자 모멘트의 크기는 분자의 3차원적 구조와 원소의 전기 음성도로 설명할 수 있고, 또한 분자 사이의 상호작용의 크기도 분자의 극성에 따라 결정되기 때문에 끓는점의 차이도 분자의 극성 정도로 설명할 수 있다.극성 분자는 극성 분자끼리, 무극성 분자는 무극성 분자끼리 잘 섞인다. 이를 끼리끼리 녹는다.(like dissolves like) 라고 말한다. 이러한 원리를 이용한 것이 크로마토그래피이다. 크로마토그래피는 적당한 매질에 혼합물을 싣고, 혼합물의 각 성분들의 전개속도의 차이를 이용하여 분리하는 방법이다. 전개속도의 차이는 물질의 극성과 관련이 깊다. 크로마토그래피는 원래 식물 색소와 같이 색깔을 가진 것들을 분리하는데 사용되었지만, 물리적인 검출방법이나 발색단과의 반응을 통해 색깔이 없는 혼합물도 분리가 가능하다. 이 실험에서도 아미노산은 색깔이 없지만, 닌히드린(ninhydrin)용액을 뿌려 색깔을 띠게 하여 분리할 수 있다. 분리는 정지상에 이동상을 흘려 주면서 이루어진다. 정지상은 보통 비활성 고체이고, 이동상은 기체 혹은 액체가 쓰인다. 이 실험에서는 종이크로마토그래피에 흡착되어 있는 물이 정지상으로 쓰이고, 알콜과 물의 혼합용액이 이동상이 된다. 분리되어질 아미노산들은 알콜과 물의 혼합용액에 서로 다른 용해도를 가지기 때문에 용매 혼합물이 종이를 따라 이동할 때 서로 다른 속도로 움직이게 되어 분리된다.*.Rf값이란 무엇인가?특정한 실험조건(용매, 고체 지지체 , 온도 등)에서 이동하는 화합물의 능력은 Rf값으로써 정량적으로 표현된다.Rf 값은 원래의 출발점으로부터 용매선(solvent front)까지의 거리 및 각 반점들까지의 거리를 잰다. Rf 에 영향을 미치는 요인들에는 종이의 성질, 온도, 시료의 양 , 외부 물질, 물의 포화정도, 전개 용매의 성질, 그리고 원점과 전개용매 사이의 거리 등이 있다. Rf값은 각 물질의 성질, 용매의 종류 및 온도에 따라 다르다. 그러나 흡착제, 용매, 층의 두께, 균일성, 온도 등이 정해진 조건에서의 Rf값은 일정하다. 이 실험에서는 용매의 성질을 변화시키면서 Rf값의 변화 양상을 관찰한다.Ⅱ.Experimental Procedure*.실험 기구 및 시약1. 전개 용매 (각 10 ml씩)에탄올 : 물 (4:1), n-프로판올 : 물 (4:1)n-프로판올 : 0.1 N HCl (4:1), n-프로판올 : 2% NH3 (4:1)2. 20mM 아미노산 : 혼합물, Ala, Asp, His.3. 닌히드린 용액 : 95% 에탄올 용액 100ml에 닌히드린 2g을 녹인 용액(빛에 약하기 때문에, 외부 빛으로부터 차단되게 보관, 사용한다).4. 종이크로마토그래피용 종이, 500ml 비커 4개, 랩, 끈, 테이프, 자, 모세관*.실험 방법실험A.정상 크로마토그래피① 크로마토그래피 종이의 위쪽 끝에서 1.5cm되는 곳을 접은 다음, 아래로부터 1cm 되는 곳에 연필로 선을 긋는다. 종이의 옆선과는 0.5cm, 점과 점 사이는 1cm가 되도록 두 점을 역시 연필로 표시한다. 이와 같은 방법으로 모두 8장을 준비한다. 각 점에는 무엇을 전개시킬 것인지 연필로 써 두는 것이 좋다. (볼펜, 싸인펜, 네임펜 등을 사용하지 말 것)② 모세관으로 아미노산 혼합 용액을 빨아들인 후, 1에서 준비한 종이의 한 점에 가볍게 찍는다. 이 때 sample spot이 1mm가 넘지 않도록 주의한다. 모세관에 남은 용액을 거름종이(또는 휴지)로 뽑아내고, 증류수(또는 아세톤)로 서너 차례 헹구어준다. (이 때, 모세관을 부러뜨리지 않도록 주의 할 것.)③ 20mM Ala, Asp, His 용액도 위와 같은 방법으로 종이 위에 올린 후, 완전히 말린다.④ 2 - 3의 과정을 3번 더 반복하여 총 8장의 종이를 만든다. 하나의 용액을 사용하는 모세관으로 다른 종이에 spotting을 마친 후에 다른 용액으로 넘어가는 것이 편하다.⑤ 500mL 비커 하나에 첫 번째 전개 용매 10mL를 넣는다. 다음 비커에는 두 번째 전개 용매 10mL를 넣는 등 같은 식으로 비커 4개를 준비한다.⑥ 앞에서 준비한 종이 한 쌍을 스테플러 또는 셀로판 테이프를 사용하여 끈에 부착하고, 비커의 바닥에 깔린 전개액에 종이의 끝을 담근다. 이 때, 전개 시작점 위로 용매가 튀지 않도록 주의한다. 종이가 수직으로 설 정도로 리본의 장력을 맞춘 후, 테이프로 끈의 양쪽을 비커의 바깥면에 고정시킨다. 랩으로 비커의 위 부분을 완전히 밀페한 후, 70분 동안 전개시킨다.⑦ 70분 후에 종이를 꺼내는데, 꺼내자마자 용매가 전개된 제일 끝 부분(solvent front)을 연필로 표시한다. 그 다음 이 종이를 110℃의 오븐에서 10분간 놓아두거나, 머리 건조기를 사용하여 완전히 건조시킨다.⑧ 완전히 건조된 종이에 닌히드린 용액을 분무기를 사용하여 뿌려준다. 이 과정은 후드에서 실행하며 되도록 조교가 다루도록 한다. 닌히드린은 손에 묻으면 어지간해서는 지워지지 않으므로 주의할 것.⑨ 닌히드린 용액을 뿌린 종이들을 7과 같은 방법으로 완전히 건조시킨 후, 발색 반응으로 나타난 점들의 위치를 측정하여 Rf값을 계산한다.실험B. 역상 크로마토그래피① C-18 카트리지를 주사기에 끼우고 노랑, 빨강, 파랑 색소의 혼합 용액 한 방울을 카트리지 위쪽에 넣은 후 약 3mL의 물을 주사기에 채우고 서서히 약한 압력을 가한다. 세 가지 색소가 분리되는 것을 관찰하고 이들 색소를 극성이 큰 것부터 작은 것 순서로 나열한다.② 주사기 위쪽에 남아있는 물을 버리고, 30% 메탄올 3mL 정도를 채운 후에 압력을 가하여 흘려주면서 카트리지에 남아있는 색소가 어떻게 움직이는가를 관찰한다. 카트리지를 사용한 후에는 100% 메탄올 3mL로 카트리지를 씻어내고, 3mL의 물로 다시 씻어낸 후에 다시 사용한다.③ 파랑 색소의 묽은 용액 5mL 정도를 세척한 카트리지에 통과시키면서 색소가 어떻게 되는지, 그리고 나오는 용액의 색깔은 어떻게 바뀌는지 관찰한다.Ⅲ. Data and Results*.실험A(네 가지 용매에 따른값의 변화)= 물질 이동거리 ÷ 용매 이동거리1. 에탄올/물 혼합용액Ala= 4.4 ÷ 7.44 cm = 0.59His= 4.05 ÷ 7.45 cm = 0.54Asp= 3.2 ÷ 7.3 cm = 0.44Mix= 4.15 ÷ 7.4 cm = 0.562. n-프로판올/물 혼합용액Ala= 2.6 ÷ 7.1 cm = 0.37His= 2.05 ÷ 6.7 cm = 0.31Asp= 1.1 ÷ 6.7 cm = 0.16Mix= 2.6 ÷ 7.1 cm = 0.373.n-프로판올/염산Ala= 나타나지 않음Asp= 4.0 ÷ 7.1 cm = 0.56His= 1.45 ÷ 7.05 cm = 0.21Mix= 3.7 ÷ 7.1 cm = 0.524. n-프로판올/수산화암모늄Ala= 1.7 ÷ 7.5 cm = 0.23Asp= 0.8 ÷ 7.5 cm = 0.11His= 1.75 ÷ 7.5 cm = 0.23Mix= 1.6 ÷ 7.3 cm = 0.22*.실험B카트리지에 혼합 색소 잉크를 떨어뜨린 후 물을 넣어 전개시키면 먼저 빨간색이 전개되고 그 아래에 노란색이 분리되는 것을 볼 수 있다. 좀더 전개를 시키면 마지막으로 파란색이 분리되어 나온다.Ⅳ. Discussion이번 실험은 우리가 중학교나 고등학교 때에 흔히 접할 수 있었던 크로마토그래피에 대한 실험이었다. 크로마토그래피는 아주 비슷한 물질들의 혼합물이더라도 쉽게 분리해낼 수 있는 방법이다. 위의 두 실험 중 첫 번째 실험은 정상 크로마토그래피로 극성이 큰 고체 표면에 물 같이 극성이 큰 액체 막을 입힌 정지상과 극성이 작은 용액을 이동상으로 사용하는 방법이고 두 번째 실험은 C-18(C18H37)기처럼 긴 탄화수소 사슬이 공유결합으로 결합된 막을 입힌 작은 입자를 정지상으로 사용하는 역상 크로마토그래피이다.
이산화탄소의 분자량 측정
