일반화학실험일정성분비의 법칙1. Introduction본 실험에서는 총 두 가지의 실험을 실시한다. 실험 A 탄산염의 분석 (무게변화), 실험 B 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피) 가 그것이다. 우리는 이 두 가지 실험을 통하여 화학역사에 많은 변화를 준 일정 성분비의 법칙에 대하여 알아보기로 한다. 일정 성분비의 법칙이란 화합물의 각 성분원소는 일정한 질량비를 가지고 있다는 것인데 이 법칙을 이용하면 우리는 화학 반응식을 가지고 생성물의 부피, 질량 등을 추측할 수 있다.2. Method, Material실험 A 탄산염의 분석 (무게변화) : 전자저울, Weighing Boat x 6, Sodium Carbonate / Sodium Bicarbonate (미리 0.2g씩 각각 2개를 측정해 둔다.), 6N HCl가. 잘 마른 weighing boat를 전자저울에 올려놓고, 10mL의 6N 염산을 가한 후, tare를 눌러 0.000이 되도록 맞춘다.나. 0.001g까지 정확히 측정한 sample A를 가한 후, 10초 간격으로 무게 변화가 없을 때까지, 눈금을 읽는다. (처음의 30초 동안은 5초마다 데이터를 기록한다.)다. 마찬가지로 sample B를 가한 후, 10초 간격으로 무게 변화가 없을 때까지, 눈금을 읽는다.라. 그래프용지 등을 이용해서, (남은 시료의 무게/처음 시료의 무게) vs. 시간(s)에 대한 그래프를 그린다.바. sample A와 B의 무게 변화로부터 각각이 어떤 화합물인지 알아낸다.실험 B 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피) : Na2CO3 0.1g, 가지달린 플라스크, 고무마 개, 고무호스, 유리관, 수위조절장치, 6N HCl, 이산화탄소 포화용액가. Na2CO3를 전자저울을 사용하여 0.1g을 정확히 잰다. 유리관에 이산화탄소포화용액을 넣고 고무호스를 이용하여 수위조절장치를 만든다.나. 가지달린 플라스크에 염산 20mL를 넣고 Na2CO3를 집어넣은 후 재빨리 고무마개를 닫는다. 이때 고무마개를 닫고 나서 반응을 시작하도록 종이에 싸서 조심스럽게 넣는 다. 그리고 고무마개를 닫을 때 균일한 힘으로 닫아서 유리관안의 기압이 변화하지 않 도록 한다.다. 수위조절기를 이용하여 유리관의 물의 수위를 가장 높은 눈금에 맞춘 후에 플라스크 를 흔들어 종이에 쌓여있던 시료와 HCl을 반응시킨다.라. 기체가 발생하면서 유리관에 모이기 시작하면 수위조절기를 유리관의 수위보다 조금 더 높거나 같은 높이로 계속 맞추어 주면서 반응이 끝날 때까지 기다린다.마. 더 이상 이산화탄소가 발생하지 않으면 수위조절기를 유리관과 동일하게 맞추어 주고 발생한 기체의 부피를 잰다.바. 실험실의 온도와 압력을 기록한다.3. Result실험 A 탄산염의 분석 (무게변화)시간(s)A1A2B1B250.1550.1590.1290.144100.1300.1350.1260.124150.1260.1300.1200.115200.1240.1260.1170.114250.1240.1260.1130.113300.1220.1250.1110.112400.1210.1220.1100.111500.1190.1200.1080.110600.1190.1200.1070.109700.1170.1180.1050.109800.1170.1170.1040.107900.1170.1160.1020.1061000.1150.1150.1020.1051100.1150.1150.1000.1051200.1130.1140.0990.103실험 B 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피)실험실의 기압 : 751mmHg실험실의 온도 : 287.15K발생한 기체의 부피 : 22.2mL=0.0222L4. Discussion실험 A 탄산염의 분석 (무게변화)시료 A와 B의 무게 변화를 측정하여 두 시료를 구별하는 실험이다. 우선 Na2CO3, NaHCO3 두 화합물의 분자량을 구해보면 각각 105.99, 84.008이 나온다. 각각의 화합물이 염산과 반응할때의 화학식은이다. 이것을 이용하면 각 화합물이 염산과 반응할 때, 발생하는 이산화탄소의 질량을 구할 수 있고, 그 질량을 이용하여 우리는 시료 A와 B를 구별할 수 있다. Na2CO3는 1mol당 105.99g이므로 0.2g은 0.00189mol 이다. 그러므로 Na2CO3가 염산과 반응하면 이산화탄소 0.00189mol, 즉 0.0832g이 발생한다. 그리고 NaHCO3는 1mol당 84.008g이므로 0.2g은 0.00238mol이다. 그러므로 NaHCO3가 염산과 반응하면 이산화탄소 0.00238mol, 즉 0.105g이 발생한다.실험에서 시료 A는 평균 0.087g이 감소하였고 시료 B는 평균 0.099g이 감소하였다. 그러므로 실험상의 오차를 감안하면 시료 A는 Na2CO3이고, 시료 B는 NaHCO3라는 것을 확인할 수 있다.각 화학반응식에서 살펴볼 수 있듯이 NaHCO3의 분자량이 더 작으므로 몰수는 NaHCO3가 더 많다. 그러므로 NaHCO3를 염산과 반응시킬 때 더 많은 양의 이산화탄소가 발생하게 된다. 그러므로 NaHCO3를 염산과 반응시키면 더 격렬한 반응이 일어날 것이라고 예측할 수 있다. 실제 실험에서도 5초 때의 질량을 보면 똑같은 0.2g을 넣었는데도 5초 만에 질량에 엄청난 차이가 생긴 것을 볼 수 있다.시간이 지날수록 반응 속도가 느려지는 원인은 반응식을 살펴보면 찾아낼 수 있다고 생각한다. 시료들과 염산은 반응하면 물과 이산화탄소를 생성시키게 되면서 염산의 농도가 접접 옅어져 간다. 그러므로 농도가 옅을수록 반응에 참여하는 분자의 개수가 줄어들어 시간이 지날수록 염산과 시료가 반응하는 속도가 줄어들었을 것이라고 예측해 볼 수 있다. 그 외에 실험에서 오차가 발생한 원인은 여러 가지가 있을 수 있겠지만 우선 시료의 질량 측정에서 생길 수 있는 오차가 있다. 사용한 전자저울의 경우 가볍게 입김만 불어줘도 무게에 상당한 변화가 생길만큼 매우 정밀한 기구였다. 그러므로 사람의 손으로 0.001g단위까지 맞춰서 무게를 잰다는 것은 매우 어려운 일이라 할 수 있다. 이 오차를 줄이기 위해서는 바람이 전혀 없는 공간에서 실험을 하고 시료를 0.001g단위까지 정밀하게 조절해서 나를 수 있는 기구들을 사용하면 될 것이라고 판단된다. 두 번째로 탄산나트륨의 흡습성을 예로 들 수 있다. 탄산나트륨은 흡습성이 매우 강한 화합물이기 때문에 공기중에 놓아두면 수분을 쉽게 흡수한다.1) 그러므로 탄산나트륨의 질량이 늘어나서 실험에 오차를 줄 가능성이 있다.실험 B 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피)이 실험에서는 Na2CO를 염산과 반응시켜 유리관에 모인 이산화탄소의 부피를 재고 예상한 결과와 맞는지 확인해 보는 실험이다. 먼저 부피를 측정하여 이상기체의 상태방정식에 대입하여 몰수를 측정할 수 있는데 유리관에 모인 이산화탄소는 대기압 이외에 물의 증기압도 함께 받고 있기 때문에 실험실의 기압에서 물의 증기압을 빼주어야 한다. 화학실험 교재의 부록5편에 나와 있는 물의 증기압을 빼주면 P=751mmHg-12mmHg=739mmHg이다. 이 결과를 이상기체 상태방정식 PV=nRT에 대입하면 1atm=760mmHg이므로 P=0.972atm이고 n=PV/RT===0.000915mol이 나온다. 탄산염 Na2CO3의 원자량은 105.99, 사용한 탄산염의 무게는 0.1g이었으므로 탄산염의 몰수는 0.000943mol이다. 실험의 반응식은 Na2CO3 + 2HCl ---> CO2 + H2O + 2NaCl 이다. Na2CO3 1mol당 이산화탄소 1mol이 나와야 하므로 실험에서 발생해야 하는 이산화탄소의 몰수는 0.000943mol이다. 이 값은 실험에서 측정한 값인 0.000915mol과 0.000028mol, 약 3%의 오차가 있다.
1. Introduction이번 수소의 이야기실험에서는 수소기체의 발생, 수소의 폭명성, 그리고 수소 및 헬륨의 선스펙트럼 관찰 이렇게 총 3가지 실험을 실시했다.수소기체의 발생실험은 우주의 가장 오래된 원소인 수소의 발생과정을 직접 눈으로 확인해보는 실험이다. 금속과 산이 반응하면 수소기체가 발생하게 되는 원리와 그 반응식, 그리고 산과 반응하는 금속, 반응하지 않는 금속의 차이점을 탐구해 본다.수소의 폭명성 실험에서는 수소기체의 성질중 하나인 산소와의 급격한 반응을 직접 실험해보고 그 반응식과 생성물의 종류를 확인해보는 실험이다. 수소기체가 폭발하는 실험을 통해서 과거 수소를 이용한 비행선의 폭발사고와 수소기체의 위험성을 직접 알아보고 수소가 산소와 반응했을 때 생기는 생성물의 화학식과 그 반응식을 알아본다.마지막 수소 및 헬륨의 선스펙트럼 관찰실험은 수소와 헬륨의 방출스펙트럼을 관찰하여 전자가 가질 수 있는 에너지의 불연속성을 확인하는 실험이다. 전자가 가지는 에너지의 불연속성이 생기는 원인과 보어의 원자모형, 현대의 원자모형을 탐구해본다.2. Method, Material①수소기체의 발생 : 시험관 3개, 시험관대, 12N HCl, 소량의 아연, 구리, 납 금속조각가. 시험관에 아연, 구리, 납의 금속조각을 소량씩 넣는다.나. 금속조각이 들어 있는 시험관에 12N HCl을 가하고 나타나는 변화를 확인한다.②수소의 폭명성 : 가지달린 플라스크, 마개, 고무풍선 2개, 테플론테이프, 아연, 12N HCl가. 가지달린 플라스크에 아연조각을 소량 넣고 가지부분에 고무풍선을 연결한다. 이때 연결부분의 밀봉을 위하여 테플론 테이프로 연결부위를 감아준다. 고무풍선은 기체 의 원활한 포집을 위하여 미리 한번 불어서 늘려 주는 것도 좋다.나. 플라스크에 소량의 염산을 가하고 재빨리 마개를 닫는다.다. 풍선에 수소기체가 성인주먹크기만큼 포집되면 수소기체가 빠져나가지 않게 잘 묶 어 주고 스탠드에 매달아 놓는다.라. 다른 풍선은 입으로 수소풍선과 같은 크기의 풍선을 분 다음 스탠드에 매달아 놓는 다.마. 불꽃을 이용하여 두 개의 풍선을 터뜨려 보고 소리의 차이점과 생성물 등을 조사한 다.③수소와 헬륨의 선스펙트럼 관찰 : 수소방전관, 헬륨방전관, 회절발필름가. 수소, 헬륨방전관을 회절발필름을 이용하여 관찰한다.나. 관찰결과를 그림으로 그려본다.3. Result①수소기체의 발생 : 아연에 염산을 가하자 아연과 염산이 격렬하게 반응하였다. 아연과 염산의 접촉부위에서 기포가 다량 발생하고 코를 찌르는 강한냄새가 나며 열이 발생하고 흰색기체가 발생하였다. 구리는 염산과 반응을 전혀 하지 않았다. 납은 반응이 매우 약하게 일어났다. 처음엔 거의 반응을 안 하다가 조금씩 흔들어주자 미세한 기포가 발생 하기 시작했다.②수소의 폭명성 : 아연조각에 염산을 가하자 격렬한 반응을 일으키며 수소가 풍선에 모이 기 시작했다. 풍선에 수소가 주먹만 한 크기정도로 모였을 때 풍선을 묶고 직접 입으로 불어둔 같은 크기의 풍선과 함께 불꽃으로 풍선을 터뜨렸다. 직접 입으로 분 풍선은 픽 소리를 내며 터지고 말았지만 수소기체가 차있는 풍선은 불꽃을 내며 타올랐다. 타오른 풍선에서는 다량의 액체방울이 떨어졌다.③수소와 헬륨의 선스펙트럼 관찰 : 수소는 아래의 그림과 같이 세 줄의 선을 볼 수 있었 다. 왼쪽부터 보라색, 녹색, 빨강색의 선이 선명하게 나타났다.헬륨은 아래의 그림과 같이 5개의 선을 볼 수 있었다. 왼쪽부터 보라색, 녹색, 노란색, 빨강색의 선이 선명하게 나타났다. 그리고 빨강색의 진한선 오른쪽으로 희미한 빨강색선 을 한 개 더 볼 수 있었다.4. Discussion①수소기체의 발생 : 이 실험을 통하여 수소기체의 발생을 직접 눈으로 확인할 수 있었다. 금속의 이온화 경향에 따라 수소보다 반응성이 작은 구리 등의 금속은 산을 가해도 반응 이 일어나지 않지만 수소보다 반응성이 큰 아연, 납 등의 금속은 산과 반응하여 수소기체 를 발생시킨다. 그 알짜이온 반응식은 다음과 같다.Zn + 2H+ ---> Zn2- + H2↑Pb + 2H+ ---> Pb2- + H2↑반응성이 큰 금속은 수소와 반응하게 되면 산화되어 자신의 전자를 내어주고 이온이 된다. 수소이온은 금속이 준 전자를 받아서 환원되어 기체분자가 된다. 수소기체는 공기 보다 가볍기 때문에 공기 중으로 날아간다. 여기서 아연이 납에 비하여 매우 격렬한 반응 을 하는 것을 관찰할 수 있는데 이것을 이용해서 아연이 납보다 반응성이 크다, 즉 이온 화경향이 크다는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 실험에 쓰인 금속들의 이온화 경향은 다 음과 같이 나타낼 수 있다.Zn > Pb > (H) > Cu이온화 경향을 이용하면 전지를 만들 때 어느 금속을 -극에 놓아야 하는지도 알 수 있 다. 이온화 경향이 큰 금속이 -극으로 가도록 만들면 된다. 이온화 경향이 큰 금속은 전 해질 속으로 녹아들어가면서 이온이 되어 전자를 내어주기 때문에 전자는 이온화 경향이 큰 금속에서 작은 금속으로 이동하게 된다.1)②수소의 폭명성 : 이 실험에서는 수소의 성질중 하나인 산소와의 격렬한 반응에 대해서 알아보았다. 수소기체는 불꽃에 닿으면 산소와 격렬하게 반응하여 펑 소리를 내며 폭발하 는 성질을 가지고 있다. 그렇기 때문에 두 개의 풍선에 각각 수소기체와 공기를 담아서 두 개 모두 불을 붙여서 터뜨려 보면 입으로 분 풍선은 픽 소리를 내며 터져버리지만 수 소기체가 들어있는 풍선은 펑 소리를 내며 폭발하게 된다. 우리 조는 풍선에 불꽃을 댈 때 풍선이 잘못 터져서 조그만 구멍이 나고 그곳으로 수소가 새어나오면서 폭발하지 않고 계속 불타올랐는데 폭발을 확실하게 하기 위해서는 풍선에 불꽃을 가할 때 풍선의 얇은 부분을 통해서 수소기체에 직접 불꽃이 닿을 수 있도록 했어야 했다. 하지만 조그마한 구 멍으로 수소가 새어나오면서 폭발하지 않고 불타오르는 것을 보니 수소기체의 방출을 안 전하게 제어하는 기술만 있다면 미래에 세계에서 천연가스마저 다 소비되었을 때 가정집 에서 수소를 원료로 사용할 수도 있다고 생각된다. 물론 수소의 폭발하는 성질을 이용해 서 자동차의 연료로 사용할 수 있기 때문에 지금 수소자동차의 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소는 반응성이 매우 강해서 조그마한 불꽃으로도 폭발해 버리기 때문에 과거 독 일에서 수소의 가벼운 성질을 이용한 거대 비행선이 폭발한 사고가 있었다.2) 그래서 수소 를 이용하려면 매우 안정적인 제어기술이 필요한데 현재 진행 중인 기술로는 수소저장합 금이 있다. 수소저장합금은 수소가 금속과 결합하여 온도의 변화에 따라 수소를 방출, 흡 수한다.3)또한 수소기체가 담긴 풍선이 타오르면서 풍선에서 다량의 액체방울이 검출되었다. 이것 은 수소와 산소가 반응하여 생성된 결과물인 H2O이다. 한 가지 실험에서 아쉬웠던 점은 염화코발트 종이를 이용하여 과연 그 액체가 H2O가 맞는지 확인해 볼 수 있었다면 좋았 을 텐데 수소가 산소와 반응하면 물이 생성된다는 사실은 고등학교화학시간에 충분히 배 웠으니 생략했다. 수소와 산소의 반응식은 다음과 같다.2H2(g) + O2(g) ---> 2H2O(l)이와 같이 수소가 연소할 때 연소생성물이 물뿐이라는 사실은 수소를 연료로 사용할 때 에 환경오염물질이 전혀 발생하지 않는다는 큰 이점이 된다. 게다가 수소는 물을 전기분 해하면 얻을 수 있고 지구에는 물이 엄청나게 많이 있으므로 수소는 미래에 가장 주목받 는 에너지원 중 하나이다. 물론 물의 전기분해에도 에너지가 많이 소비되지만 미래에 물 의 분해를 쉽게 할 수 있는 기술이 개발된다면 인류는 에너지 걱정 없이 살아 갈 수 있을 것이다.
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