1. Abstract & Introduction(1) 실험의 목적- 비타민C는 아보가드로의 원리를 사용해서 분자량을 구하기에는 힘든 거대 분자 이다. 이번 실험에서는 이를 예로 들어서 이와 같은 거대한 유기 화합물의 분자량을 구하는방법에 대해 탐구해 본다.- 어는점 내림현상을 알고 이를 통해서 미지의 시료 A, B 가 각각 무엇인지 구별한다.또한 비타민C와 같은 농도의 소금 용액을 만들어 소금이 전해질임을 확인한다.(2) 도입비타민은 미량으로 생체 내의 물질대사를 지배 또는 조절하는 작용을 하지만, 그 자체는 에너지원이나 생체구성성분이 되지 않으며, 더욱이 생체 내에서는 생합성되지 않는 유기화합물이다. 동물에 따라 대사계에 차이가 있는데, 예를 들면 비타민C(Ascorbicacid)와 같이 대부분의 동물에서는 포도당으로부터 체내에서 생합성 되지만 사람이나원숭이 등에서는 이러한 생합성 경로가 없기 때문에 생성되지 않는 것도 있다. 따라서비타민C는 대부분의 동물에서는 비타민이 아니지만, 사람이나 원숭이 등에서는 비타민이다.비타민C는 아스코르브산이라고도 하는데, 6탄당과 비슷하지만 분자 속에는 엔디올기 (基)―C(OH)詩C(OH)―를 가지고 있다. 이 기 때문에 수용액은 산성을 나타내며, 염기에의해 염을 만드는 것 외에 강한 환원작용을 나타내는 등의 특성이 있다. 수용성비타민중에서는 가장 불안정하다. 결정은 건조상태에서는 안정하지만 흡습하면 산화되어 착색한다. 산소나 염소 등의 산화제에 의해 산화되어 디히드로아스코르브산이 되며 황화수소 나 글루타티온 등의 환원제로 처리하면 아스코르브산으로 되돌아간다. 아스코르브산은환원제로서 산소질산이온시토크롬ac, 크로토닐조효소A메토헤모글로빈을 환원한다. 또予―히드록시피루브산에서 호모겐티신산이 생성되는 반응과 콜라겐에 포함되는 플로린의수산화에도 아스코르브산을 필요로 한다. 동식물계에 널리 존재하지만 영장류와 기니피그에서는 생합성되지 않기 때문에 결핍증을 일으킨다. 생체 내에서는 부신피질에 가장 많이 함유되어 있으며, 부신피질자극호르기는 이 산화탄소의 질량으로부터 탄소의 양을 결정하고 물로부터 수소의 양을 결정하는 방법을 완성했는데 이 방법을 쓰면 탄소와 수소의 함량을 알아낼 수 있다. 산소는 탄소와 수소 의 무게를 빼면 알아낼 수 있다.rm C~+~O_2 ~ -> ~CO_2rm 2H_2 ~+~O_2~ -> ~2H_2 O위의 두 식에서 화합물을 완전히 연소시켜서 생긴 이산화탄소와 물을 전부 모아서 질량을 재면 우리는 탄소와 산소, 수소와 산소의 원자량을 알고 있기 때문에 탄소와 수 소의 질량도 알아낼 수 있다. 여기서 각 원자들의 개수 비율은 { 무게(질량)} over { 원자량}을 한 값의 비율이 될 것이다.다음으로 화합물의 분자량을 구해야 한다. 비타민 C의 실험식이rm C_3 H_4 O_3이라는 것을 안다면 실제로 비타민 C의 분자식은rmC_3 H_4 O_3인지rm C_6 H_8 O_6인지rm C_9 H_12 O_9인지 아니면 그 이상의 배수인지를 구별할 수 있는 방법은 분자량을 알아내는 것이기 때문이다.상온에서 기체의 상태로 존재하는 물질의 분자량은 아보가드로의 원리를 이용하면 쉽게 구해낼 수 있지만 상온에서 액체나 고체인 화합물은 100년 전 만해도 분자량을 알 아내기가 힘들었지만 어는점 내림(Freezing point depression)이라는 현상을 이용하면 알아낼 수 있게 되었다.보통의 물은 0도에서 얼고 녹는다. 그러나 순수한 물에 용질이 녹아서 용액이 되면 어는점은 순수한 물의 어는점보다 낮아진다. 그리고 이렇게 어는점이 내려가는 정도는 어떠한 입자이던 간에 몇 개의 입자가 녹아 있는지에 달려있다. 즉 서로 다른 물질이라 도 같은 몰랄농도로 물에 녹아있다면 어는점 내림은 같아지게 된다. 이러한 성질을 이용 하면 화합물의 분자량을 구할 수 있다. 같은 질량의 용질을 녹여서 어는점 내림을 관찰 하면 미리 알고 있는 물질과 비교하여 그 화합물의 분자량이 얼마인지 알 수 있기 때문 이다.T_f`=T_f ^' `-`T_f `=`-K_f m~ LEFT ( K_f `:`어는점`내림`.0ml 담는다.2. 스티로폼 컵에 250 ml 비이커를 담고, 충분한 양의 얼음과 소금을 넣는다. 온도 계를 비이커에 넣어, 비이커 내부의 온도가 실험 도중 충분히 낮게 유지되는지 수시로 확인한다. (온도계는 스탠드를 이용하여 고정시키면 된다.)3. 시험관에 증류수 4ml를 취하여 담고 젓개를 끼운 온도계를 시험관 안 용액에 충 분히 잠기도록 장치한다.4. 이 시험관이 얼음물에 충분히 잠기도록 장치한 다음, 온도가 내려가서 +2도가 된 다음부터 10초간격으로 온도를 기록한다. 이때 과냉각을 방지하기 위해 계속 젓개를 움직여 주어야 한다.5. 10분 동안 10초 간격으로 온도를 읽고 기록한다. unknown sample A,B도 이와같 이 실험한다.6. 시간 대 온도 그래프를 그리고, 어는점 내림을 통해서 어떤 샘플이 설탕이고, 비타민 C인지 확인한다. 어는점 내림을 계산할 때 증류수를 이용한 보정을 해주 어야 한다.2) 실험 B :1. 비타민 C 용액과 똑같은 농도의 소금 용액 5ml를 만들어 바이알에 담는다.2. 시험관에 소금 용액 4ml를 취하여 담고 온도계와 젓개를 꽂은 뒤, 얼음물속에 잠기도록 장치한다.3. 젓개로 저어주면서 10초간격으로 온도를 기록한다. 10분동안 기록한다.4. 시간 대 온도 그래프를 그린다.(3) 실험시 유의사항a. 얼음이 녹지 않도록 중간중간에 얼음을 갈아주고, 온도를 되도록 일정한 정도로 충분히 낮게 유지한다.b. 과냉각에 의하여, 온도가 떨어졌다가 얼기 시작하면서 온도가 약간 올라간 다음 한 동안 그대로 유지된다. 이 때, 다시 올라간 온도를 어는점으로 취한다.c. 증류수나 샘플로 여러번 반복하여 익숙해진 후에 다음 실험으로 진행한다.3. Data and Results(1) Data1) 증류수시간(/s)*************08090온도(°c)0.3-1.0-0.5-0.5-0.5-0.45-0.35-0.3-0.32) Sample A(1.00g) 시간(s)*************08090온도0.80-0.10-0.80-1.40-2.45-4.50-4.45-4.45-4.45-4.45-4.45-4.45(2) Results1) 증류수●증류수의 어는점:-0.3°c●증류수의 어는점은 -0.3°c 로 측정이 되었다. 데이터를 보면 30초~70초구간에서 과 냉각 된 것을 알 수 있다. 우리가 알고 있는 실제 물의 어는점보다 0.3°가 낮았고, 이 는 온도계의 오차라고 생각된다. 따라서 앞으로 측정되는 어는점에서 0.3°를 더하여 줌으로써 온도계의 오차를 보정하도록 하겠다.2) Sample A(1.00g)●Sample A의 어는점:-2.15℃●그래프를 보면 알 수 있듯이 Sample A의 어는점은 -2.45℃ 가 나왔다. 온도계의 오차에 따른 보정을 해주면(실험에서 언급하였다.), Sample A의 어는점은 (-2.45+0.3=) -2.15℃ 가 된다. 그리고 증류수 실험때와 마찬가지로 과냉각 현상이 일어났음을 그래프에서 확인할 수 있다.●Sample A의 어는점내림:-2.15℃(증류수의 어는점을 0로 보정하였으므로)●Sample A의 분자량의 계산조건: 증류수의 Kf=1.86, 물의밀도=1g/㎖가정: 용질과 용매사이의 작용이 없는 이상용액이라고 가정한다.계산:DELTA T=-Kf ㆍmm= w over M Times 1 over W Times 1000(w는 용질의 질량, M은 용질의 분자량,W는 용매의 질량)M= 1000w over W Times -Kf over DeltaT그러므로 용질의 분자량은 M=173.02 (g/mol) 이다.따라서 Sample A는 비타민 C(이론상의 M=176.1(g/mol))임을 추론할 수 있다.●실험오차 계산delta= 3.08 over 176.1 times 100% =1.75%이다.3) Sample B(1.00g)●Sample B의 어는점:-1.10℃●그래프를 보면 알 수 있듯이 Sample B의 어는점은 -1.40℃ 가 나왔다. 온도계의 오차에 따른 보정을 해주면(실험에서 언급하였다.), Sample B의 어는점은 (-1.40+0.3=) -1.10℃ 가 된다. 그리고해된 입자의 수에 의해 생기는 집합적 효과에 연유한다는 것이다. 그렇다면 원자 핵과 전자의 개수로 인해 변화되는 원자의 성질이 이런 경우에는 아무런 영향도 미치지 않는다는 것일까?이의 진위 여부는 일단 총괄 성이 어디에서 생겨났는지를 알아야 할 것이다. 총괄 성은 알다시피 그 유명한 라울의 법칙에서 유래된 것이다. 라울의 법칙은 용매에 어떤 용질을 녹일 경우 변화된 용매의 증기압은 원래의 용매의 증기압과 몰분율로 나타낼 수있다는 것이다.P_1 = X_1 P`_1^ CIRC이를 통해서 계산된 어는점 내림은 다음과 같은 관계식을 갖는다.DELTA T_f = -K_f m여기서 m은 몰랄 농도를 의미한다. 그런데 여기서 하나의 맹점이 존재한다. 라울의 법칙이 항상 성립하는 것이 아니라는 것이다. 라울의 법칙을 만족하는 용액을 이상 용액, 이에서 벗어나는 용액을 비 이상 용액이라고 하는데 이 말은 라울의 법칙에 적용되지 않는 용액이 존재한다는 뜻이며 이 경우 어는점 내림의 현상도 위의 식으로 표현될 수 없다는 것을 뜻한다. (물론 몰분율이 매우 작을 경우 비 이상 용액의 경우도 라울의 법칙에 근사하게 만족한다.)라울의 법칙과 양의 편차를 보이는 용액의 경우는 용매와 용질 분자가 서로 강하게 끌어당기지 않는 경우이며 음의 편차를 보이는 용액의 경우는 용질이 용매 분자를 특별 히 강하게 끌어당겨서 증기상으로 탈출하려는 경향이 감소되는 것이다. 우리는 비타민 C와 설탕의 분자량이 매우 크기 때문에 쌍극자-쌍극자 간의 결합을 형성하여 이에 따른 인력도 다른 물질에 비해 크다는 것을 알 수 있고 특히 두 분자 모두 산소 원자를 포함 하고 있으므로 그에 따라 물 속에 있는 수소와 수소 결합을 형성하여 실제로 용질과 용 매 사이의 결합력은 이상 용액에 비해서 크다는 것을 알 수 있다. 이는 실제 증기압의 변화가 이론치보다 작다는 것을 의미하며 어는점의 변화도 예상하는 것보다 작다는 것 을 알 수 있다. 그렇다면 실험의 경우 계산을 통해 측정되는 분자량은 실제보다 클 것 이다.NaC.
1. Abstract & 2. Introduction(1)수소의 중요성수소는 우주의 주성분 요소요, 지구상에서도 가장 풍부한 원소이고, 생체에서 중요한 모든 화합물에 빠짐없이 들어있는 핵심적인 원소이다. 그런데 지구상의 거의 모든 수소는 H₂O 의 형태로 물에 잡혀 있다. 이는 수소가 가볍기 때문에 지구의 생성 과정에서 이탈속도(escape velocity)를 넘어서 지구에 별로 남아있지 않기 때문이다.(2)실험의 목적 및 도입오늘의 실험인, 금속의 반응성 실험, 수소의 폭명성 실험, 수소 스펙트럼 관찰을 통해 다음과 같은 것들을 알 수 있을 것이다. ‘수소의 반응성’ 실험을 통해서는 금속끼리의 반응성 세기(이온화 경향)를 비교해 볼 수 있고, 금속과 산의 반응으로 수소가 발생함을 수소풍선을 통해 확인할 수 있다. (1766년 영국의 Cavendish가 Zn, Fe, Sn금속에 산을 가하면 잘 타는 기체가 발생하는 것과 반응의 결과로 물이 발생하는 것을 발견함으로써 수소의 성질을 알게 되었다.) ‘수소의 폭명성’을 통해서는 수소의 또 다른 성질을 알 수 있을 것이고, ‘스펙트럼 관찰’을 통해서는 각 원소 스펙트럼의 색관찰을 통해서 그것들의 에너지 준위에 관해서 생각해 볼 수 있다.(3)실험과정실험 A. 수소의 발생1) 금속과 산의 반응-실험기구 : 12N HCl, 시험관 3개, 시험관대, 스포이트, ZnPbCu metal, 약숟가락-실험과정 ①시험관 3개를 준비하여 시험관받침대에 꽂아놓는다.②각각의 시험관에 아연 1조각, 납 7조각, 구리 10조각을 나누어 넣는다.③시험관에 12N의 염산을 10방울 넣고 어떤 반응이 일어나는지관찰한다.2)수소의 폭명성-실험기구 : 아연, 6N HCl, 스포이트, 가지달린 플라스크, 마개, 풍선,테플론 테잎, 라이터-실험과정 ①가지달린 플라스크의 가지에 테플론 테잎으로 풍선을 연결한다.②아연을 5조각 넣는다.③6N의 염산을 10방울 넣고 재빨리 마개를 닫는다.④기체가 충분히 모여서 풍선이 부풀면 스탠드에 고정시킨다.⑤라이터를 이용해 풍선에 불을 붙인다.실험 B. 수소의 선스펙트럼-실험기구 : 수소 방전관, 헬륨 방전관, 분광기, 장갑-실험과정 ①수소 방전관을 램프에 연결한다.②분광기를 통해 수소의 선스펙트럼을 관찰한다.③장갑을 끼고 수소 방전관을 뺀 뒤 헬륨 방전관을 연결한다.④수소와 마찬가지로 헬륨의 선스펙트럼을 관찰한다.3. Data and Results실험 A. 수소의 발생1) 금속과 산의 반응 아 연납구 리아연이 닿자 마자 반응이 활발하게 일어났다. 비닐장갑을 낀 손으로 만져보니 시험관의 온도가 올라가서 따뜻해져 있었다. 그리고 기포가 많이 발생하고 연기도 났다. 시간이 많이 흐른 후 아연조각은 부식되거나 사라졌다.처음 염산을 떨어뜨렸을 때 반응이 너무나 미미하여 관찰하기가 어려웠다. 반응이 매우 약하여. 납조각에 기포가 맺히는 정도이다. 납조각의 상태는 거의 변하지 않는다.아무런 반응도 관찰할 수가 없었다. 그런데 투명했던 염산이 시간이 지나자 누런색으로 변해 있음을 알 수 있었다.2)수소의 폭명성관찰사실플라스크에 모은 기체인 수소로 부풀린 풍선을 터뜨리면 “펑”하는 소리가 나면서 터진다. 반면, 입으로 분 풍선은 터지는 소리가 “피식”하고 나며 그리 크지 않다. 풍선이 터지고 난 뒤 안쪽 표면에서 물기를 관찰할 수 있었다.반응식2H2 ＋ O2 → 2H2O실험 B. 수소의 선스펙트럼수소의 선스펙트럼
