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[화학] 증기압 측정 결과보고서

● 실 험 방 법증기압 측정장치를 장치하고 너무 심하게 끓는 것을 방지하기 위해 끓임쪽을 넣었다. 측정장치를 테이프로 감고 안전하게 한 뒤 플라스크 속에 에탄올을 넣어서 수은주를 잠기게 한 뒤 측정하여야 했다. 플라스크에 실험용 액체를 넣은 뒤 에탄올을 사용하여서 장치 안의 압력이 감소되도록 계를 배기시킨 후 이 상태에서 액체가 천천히 끓을 때까지 가열했고 끓을 때 온도는 일정하게 유지되어야 했다. 이때의 액체의 온도, 실온, 대기압을 기록했다.이 실험에서는 증기압 측정장치를 장치하는데 애를 먹었다. 증기압 측정장치를 이용해 압력을 낮추어도 온도의 변화가 많이 생기지 않아서 실험을 여러 번 해야했다. 원래 에탄올의 끓는점은 78.5℃,몰 증발열은 39.70KJ/mol 이고 벤젠의 끓는점은 80.1℃,몰증발열은 31.30KJ/mol , 물의 끓는점은 100℃ 몰증발열은 40.70KJ/mol 이다. 증기압 측정장치에서의 압력 변화를 잘 보아야 했는데 압력의 변화는 매우 미세하므로 측정 시에 주의해야 했다. 그리고 에탄올 증기를 들이마시지 않도록 주의해야 했고 테프론 테이프 등으로 잘 감싸주어야 했는데 테프론 테이프가 높은 열기에 다 녹아버려서 별 소득이 없었다.● 실 험 결 과○ 원 리평형 상태의 열역학적 항목들은 순수액체들의 온도에 따라 증기압의 변화를 예시한다. Clausius-Clapeyron식은 보통 이 변화를 설명하는데 이용된다. 이 식의 전개에는 몇가지 가정이 따른다.1) 액체와 기체상 사이의 평형상태2) 증기는 이상기체이다.3) 액체의 몰 부피는 증기의 몰 부피에 비교해 무시할 수 있다.4) 증발열은 온도에 무관하다.가정 1)은 기체상의 화학퍼텐셜과 액체상의 화학퍼텐셜이 같은 것을 내포한다. 가정 2) 는 변수로서 기체의 부피를 제거하는데 상태방정식이 필요함을 뜻한다. 가정 3)은 문제에서 액체의 부피를 제거하는데 필요하다. 가정 4)는 결과로서 생기는 미분방정식의 적분을 용이하게 한다.Clausius-Clapeyron식의 전개는 가정 1)로부터 시작하는데, 다음과 같이 액체상과 기체상의 화학퍼텐셜의 미분 변화를 연결하는 수학적 표현으로 나타낸다.여기서 v는 증기를, l은 액체를 표시한다. 이 경우 한 성분만을 고려하므로 첨자 i는 생략한다. 한가지 성분만을 포함하는 상에서는 μ는 단순히 그 상의 몰수로 나눈 Gibbs 자유에너지이다. 그러므로l → v 과정에 수반되는 몰 엔트로피의 변화는와 증발 몰엔탈피를 연관짓는 것은 간단하다.가역과정에서이므로여기서 증발과정은 일정온도, 일정압력에서 진행되므로1몰에 대해서는여기서는 몰 증발열이다. 순수액체의 증기압과 절대온도의 미분방정식을 얻기 위해 식을 정리하면, 다음 식들이 얻어진다.가정 2)에 따르면가정 3)에 따르면이 식을 다른 식에 대입하여 정리하면가정 4)대로는 온도에 무관하다고 하면 위 식을 T1과 T2사이에서 증기압 P1, P2에 따라 쉽게 적분할 수 있으며 그 결과는 다음과 같다.위의 가정들을 만족하는 조건에서 ln P대 1/T를 도시하면 직선이 되며, 기울기는이다.물 질 명화 학 식끓는점 (℃)몰 증발열 (kj/mol)기 타에 탄 올C2H5OH78.539.70벤 젠C6H680.131.30물H2O10040.70○ 온도: 23.5℃○ 핸드북 데이터포화 증기압온도(℃)절대온도 K76078.4351.5540063.5336.6520048.4321.6510034.9308.056026.0299.154019.0292.15○ 실험 데이터T(K)1/TP(mmHg)ln P1차3430.002927606.5512차3490.002876006.3973차3510.002855006.2154차3520.002844005.9915차3530.002833005.704○ 그래프를 이용한 몰증발열 계산● 고 찰이 실험에서 의미있는 것은 특정 압력에서 물의 증기압이 어떻게 나타나는지를 살피는 것과 그로부터 얻은 ln P vs 1/T 그래프를 통해를 구하는 것과 마지막으로 압축인자 Z를 살펴 그 이상성과의 차이를 알아보는 것이다.문헌치와는 약간의 차이를 보이고 있지만 거의 일치하고 있다. 그래프에서 나타나듯이 ln P ∝ 1/T 임을 뚜렷이 보여준다. 오차가 생겨서 오차의 원인을 간단히 규명하고, 다른 보조이론도 덧붙인다.○ 오차의 원인① 실험의 한계이 실험은 가정을 깔고 출발한다. 바로 Clausius-Clapeyron 식의 가정이다. 그것을 여기서 다시 밝힌다면 다음과 같다.1) 액체와 기체상 사이의 평형상태2) 증기는 이상기체이다.3) 액체의 몰 부피는 증기의 몰 부피에 비교해 무시할 수 있다.4) 증발열은 온도에 무관하다.여기서 문제되는 것은 2), 4)이다.실제로는 3) 가정의 경우 미세한 오차를 발생시킬 수 있지만, 그 정도가 매우 작을 것이라고 생각되기 때문에 무시한다.2)번 가정의 경우 문제가 되는 것은 이상기체라는 가정이 무엇을 의미하는가 하는 것이다. 이상기체라는 것은 기체 분자의 부피를 무시하며 그것들의 상호작용도 무시한다. 이것들이 증발과 같은 액체상이 포함되어있는 경우에도 적용될 수 있는지 의문이다. 당연히 오차를 불러일으킬 것이다.4)번 가정의 경우에는 증발열은 실제로는 온도와 무관하지 않다는 것이다. 실험에서의 오차가 있다. 압축인자를 고려할때는 압축인자는 거의 1과 같은 값을 나타내어 이상기체에 가까움을 나타냈다. 그러므로 오차는를 구하는데 좀더 의존함을 알 수 있었다. 실험에서를 구할 때 온도와 무관하다고 하여 그래프를 통해 구했다. 그런데 이론적으로 따져보자면,,이므로 당연히 증발열은 온도와 무관하지 않다.실험치에서 알수도 있다. 실제로 실험에서는 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 그러므로 증발열은 온도와 무관하지 않음을 알 수 있다. 따라서 당연히 오차의 원인이 되었다.② 측정 오차와 기구의 한계당연히 측정의 오차도 오차의 원인이다. 측정장치의 문제인지 진공펌프의 문제인지는 잘 알수 없지만 진공이 되지 않아 어디선가 손실이 발생하여 그 값을 완전히 신뢰할 수는 없었다. 끓는점을 측정할 때에도 오차가 발생할 수 있었는데 사람마다 반사신경의 차이가 있어 어떤 때는 조금 늦게 온도를 측정할 수 도 있고, 어떤 때는 조금 빨리 온도를 측정할 수 있기 때문이다.○ 상 태 방 정 식상태식이라고도 한다. 기체나 액체의 상태가 온도 T, 압력 p, 비부피 V로 표시될 때, 이들 3변수 사이에는 하나의 관계 p＝f(V,T)가 존재한다. 이상기체의 상태방정식인 보일-샤를의 법칙이 이러한 관계식이다. 실재 기체에 대해서는 반데르발스의 상태방정식 또는 비리얼전개식 등이 이용된다.

공학/기술| 2004.10.12| 6페이지| 1,000원| 조회(1,083)

화학공학, 기초실험, 증기압, 증기압측정

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[화학공학] 용해도곱상수의결정(결과) 평가A좋아요

● 실 험 방 법1) NaOH농도 계산0.102g, 0.204g, 0.4g의 NaOH를 취하여 100㎖ 수용액을 제조할 경우 각각의 몰농도는다음과 같다.몰농도(molarity)=[M, mol/ℓ]이므로,(0.102ｇ NaOH)( 1mol over 40ｇ ) ( 1 over 100㎖ )( 1000㎖over1ℓ )=0.0255M(0.204ｇ NaOH)( 1mol OVER 40ｇ ) ( 1 OVER 100㎖ )( 1000㎖ OVER 1ℓ )=0.051M(0.4ｇ NaOH)( 1mol OVER 40ｇ ) ( 1 OVER 100㎖ )( 1000㎖ OVER 1ℓ )=0.1M위와 같은 계산식을 이용 각각의 몰농도 용액을 준비 할수 있다.2)용해도 실험 및 용해도곱 상수 결정 실험3개의 비이커(100ml)에 0.1M, 0.05M 및 0.025M NaOH용액을 피펫으로 50ml씩 취하여 담고 각 비이커에 Ca(OH)2시약을 더 이상 녹지 않고 고체로 잔류할 때까지 충분히 가한다. (보통 반스픈 정도면 되었다.)비이커에 내용물을 10분간 잘저어 평형에 도달되도록 하고 각 용액을 여과지로 거 르고 (뷰흐너깔때기를 사용하여 감압하여 거르면 더욱 좋지만, 감압이 잘 안되는지, 거르는 상태도 좋지 않았고 시간도 굉장히 오래 걸려서 여과지로 여과만 하였다. 그렇게 하는 것이 오히려 여과가 잘되었기 때문이다.) 여과액을 따로 보관한 다. 이렇게 준비된 여과액을 절대로 희석시켜서는 안된다는 점에 유의하고, 각 용액 의 온도를 기록한다.각 거른액 25ml를 취하여 삼각프라스크(100ml)에 담고 페놀프탈레인 2∼3방울 가 한 다음 0.10M HCl표준용액으로 적정하였다.● 실 험 결 과○ 원 리이온성 금속화합물을 물에 용해시킬 때 실제적인 용질은 화합물을 이루고 있는 금속 이온들이다. 예를 들면 과량의 Ca(OH)2시약을 넣어 잘 섞어주면 용액은 포화되 어 다음의 평형이 이루어진다.용해Ca(OH)2(s) ↔ Ca2+(aq) + 2OH-(aq)침전이 용해과정에 대한 평형상수는 다음과 같다. (이상 용액으로 가정)K= {{[Ca]}^{2+}{[{OH}^{-}]}^{2}} over {[Ca{(OH)}_{2}]}그런데 일정한 온도에서 평형상태에서 포화상태에 있는 Ca(OH)2의 농도는 일정하므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.Ksp = K[Ca(OH)2] = [Ca2+][OH-]2여기서 Ksp를 용해도곱 상수(Solution Product Constant)라고 하며, 일정한 온도에서 일정한 값을 갖는다.수산화 칼슘으로 포화된 용액에 OH-을 함유한 시약을 첨가하면 용해도곱을 일정하 게 유지하기 위하여 용해되어 있는 Ca2+의 농도가 감소하게 되어 Ca(OH)2가 침전된다. 이러한 효과를 공통이온효과라고 하며 이 원리를 이용함으로써 폐수중에 중금속 이온들을 침전시켜 제거할 수 있다. 그리고 실험적으로 이온성 금속화합물의 용해도 및 용해도곱 상수를 측정할 수 있다.본 실험에서는 물 및 농도를 알고 있는 NaOH수용액에 고체 수산화 칼슘을 넣어 포화시킨 다음, 이들 용액에 함유된 수산화 이온(OH-)농도를 염산표준용액으로 적정함으로써 측정한다.이 농도와 초기(Ca(OH)2를 포화시키기 전의농도와의 차이가 Ca(OH)2의 용해에 의한 수산화이온(OH-)의 농도이다.이의 값으로부터 Ca2+의 농도, Ca(OH)2의 용해도 및 Ca(OH)2의 용해도곱 상수 (Ksp)를 구할 수 있다.시약명분자식분자량밀도녹는점끓는점수산화나트륨NaOH402.13g/mL318.4℃1390℃염화수소HCl36.481.193g/mL-114.2℃-85℃수산화칼슘Ca(OH)₂2.24g/mL물H2O181.00g/mL0℃99.975℃페놀프탈레인C H O₄318.33262∼264℃○ 온도: 23℃○ 실험 데이터농도양0.1M40.5㎖0.05M20.5㎖0.025M10.8㎖○ 용해도곱 상수 계산0.025M NaOH에서의 용해도곱 상수①적정에 소비된 0.1M HCl의 부피 : 10.8mL②용액 중 OH 의 총 농도 : 0.1N×10.8mL = Ｘ×25mL ∴X≒0.0432 0.0432M③Ca(OH) 의 용해에 의한 OH 의 용해도 : 0.0432 - 0.025 ≒ 0.0182 0.0182M④Ca 의 농도 = Ca(OH) 의 용해도 : 0.0182 ÷ 2 = 0.0091 0.0091M⑤용해도곱 상수 = [Ca ] [OH ]²: (0.066)²× 0.0091 = 1.6983*10^-5 1.6983*10^-5같은 방법으로,0.025M0.05M0.1M0.1M HCl의 부피(ml)10.820.540.5용액중 OH의 총농도(M)0.04320.0820.162Ca(OH)2중 OH의 용해도(M)0.01820.0320.062Ca의 용해도(M)0.00910.0160.031용해도곱 상수(Ksp)1.6983*10^-51.0758*10^-48.1356*10^-4● 고 찰용액의 부피 측정시 피펫을 사용한 결과 상당한 양의 오차가 발생하여 실험의 정확도를 기대할 수 없었다. HCl을 이용, 적정할 때에 갑작스런 색깔변화에 정확한 양을 알기는 상당히 어려웠기 때문이다. NaOH의 농도가 증가할수록 적정량도 증가하는 것을 알 수가 있다.이번 실험에서 중요한 것을 몇 가지 정리하자면, 몰농도 산출방법을 아는 것과 용해도 계산 방법, 용해도곱 상수 계산방법 등이 있겠다.덧붙여서 용해도와 공통이온 효과에 대해서 참조한다.○ 용해도(solubility)포화용액 속의 용질의 농도 용질이 용매에 용해할 때 일정온도에서는 그 양에 한도가 있 다. 이 한도를 용질의 용매에 대한 용해도라 하며 보통 용매 100g 속의 용해하는 용질 의 g수로 나타낸다. 예를 들면 물 100g에 대하여 염화나트륨은 20℃에서 35.8g까지 녹는 다. 이 경우 염화나트륨의 물에 대한 용해도는 20℃에서 35.8이라고 한다. 이에 대하여 용 매 100g대신에 용액 100g을 사용하는 경우도 있는데 위의 염화나트륨의 예에서는35.8×(100/100+35.8)≒26.4가 된다. 용질이 고체 또는 액체인 경우 용해도는 온도에 따라 변하는데 대기의 경우 온도가 상승하면 용해도는 증대한다. 용질이 기체인 경우에는 용해도는 온도 및 그 기체의 분압에 의해서 변화한다. 즉 일정량의 액체에 대한 기체의 용해도는 온도가 상승함에 따라 감소하고 기체의 분압에 비례하여 증가한다. 그리고 용해도 이상으로 용질이 녹아 있는 불안정한 상태를 과포화 용액이라고 한다.○ 공 통 이 온 효 과공통이온이란 한 혼합물에 들어 있는 두 물질들에 공통인 이온을 의미한다. 예를 들면 아세트산나트륨과 아세트산아연 용액의 공통이온은 CH3CO2- 이온이다.

공학/기술| 2002.10.29| 4페이지| 1,000원| 조회(3,935)

용해도, 용해도곱상수, 용해도곱, 용해도곱상수의결정

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[화학공학] 용해도곱상수의결정(예비) 평가A좋아요

● 실 험 목 적Ca(OH)₂로 포화된 용액에 OH 을 넣어 주면 공통 이온 효과에 따라 Ca의 농도가 감소된다. 이 원리를 이용하여 Ca(OH)₂의 용해도곱 상수를 결정하는 방법을 실험한다.● 이 론이온성 금속화합물을 물에 용해시킬 때 실제적인 용질은 화합물을 이루고 있는 금속 이온들이다. 예를 들면 과량의 Ca(OH)2시약을 넣어 잘 섞어주면 용액은 포화되어 다음의 평형이 이루어진다.용해Ca(OH)2(s) ↔ Ca2+(aq) + 2OH-(aq)침전이 용해과정에 대한 평형상수는 다음과 같다. (이상 용액으로 가정)K= {{[Ca]}^{2+}{[{OH}^{-}]}^{2}} over {[Ca{(OH)}_{2}]}그런데 일정한 온도에서 평형상태에서 포화상태에 있는 Ca(OH)2의 농도는 일정하므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.Ksp = K[Ca(OH)2] = [Ca2+] [OH-]2여기서 Ksp를 용해도곱 상수(Solution Product Constant)라고 하며, 일정한 온도에서 일정한 값을 갖는다.수산화칼슘으로 포화된 용액에 OH-을 함유한 시약을 첨가하면 용해도곱을 일정하게 유지하기 위하여 용해되어 있는 Ca2+의 농도가 감소하게 되어 Ca(OH)2가 침전된다. 이러한 효과를 공통이온효과라고 하며 이 원리를 이용함으로써 폐수중에 중금속 이온들을 침전시켜 제거할 수 있다. 그리고 실험적으로 이온성 금속화합물의 용해도 및 용해도곱 상수를 측정할 수 있다. 본 실험에서는 물 및 농도를 알고 있는 NaOH수용액에 고체 수산화 칼슘을 넣어 포화시킨 다음, 이들 용액에 함유된 수산화 이온(OH-)농도를 염산표준용액으로 적정함으로써 측정한다. 이 농도와 초기(Ca(OH)2를 포화시키기 전의)농도와의 차이가 Ca(OH)2의 용해에 의한 수산화 이온(OH-)의 농도이다.이의 값으로부터 Ca2+의 농도, Ca(OH)2의 용해도 및 Ca(OH)2의 용해도곱 상수(Ksp)를 구할 수 있다.○ 르 샤틀리에의 법칙평형이동의 법칙이라고도 한다. 평형상태에 있는 물질계(物質系)의 온도 또는 압력을 바꾸었을 때, 그 평형상태가 어떻게 이동하는가를 보여주는 원리이다. 이 원리는 1884년 H.르샤틀리에가 발표하였는데, 1887년에 K.브라운도 독자적으로 발견하여 발전시켰기 때문에 르샤틀리에-브라운의 법칙이라고도 부른다. 일반적으로 말하면, 열역학적으로 평형상태에 있는 계(系)에 외부로부터 어떤 작용이 가해졌을 때, 평형은 그 작용에 의한 영향을 약화시키는 방향으로 변화한다고 할 수 있다. 이 원리는 물리적 또는 화학적인 각종 변화에 대하여 적용된다.예를 들면, 질소 1몰과 수소 3몰을 혼합하여 2몰의 암모니아를 합성하는 N2+3H2 → 2NH3 과 같은 반응의 평형에서, 온도가 일정하면 외부로부터의 영향을 약화시키려고 이 계의 압력을 감소하려는 방향으로 평형이 이동한다. 즉, 존재하는 몰수(數)는 좌변보다 우변이 감소하기 때문에, 반응은 우변쪽으로 이동한다. 이 반응은 고압하에서 행하는 것이 암모니아 합성에 유리하다.(예) N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) + 22kcal 반응에서① N, H2의 첨가, NH3 제거 → 정반응진행N2 H2 제거, NH3 첨가 → 역반응진행② 압력을 높이면 → 정반응 진행(기체의 몰수 감소)압력을 낮추면 → 역반응 진행(기체의 몰수 증가)③ 온도를 높이면 → 역반응 진행(흡열 반응)온도를 낮추면 → 정반응 진행(발열 반응)○ 공통이온 효과한 전해질용액에 공통이온을 가진 다른 전해질을 첨가할 때, 질량작용의 법칙에 의하여 전자의 용해도 또는 이온화가 감소한다. 예를 들면, 난용염(難溶鹽)인 AgCl의 수용액에 KCl을 첨가하는 경우, AgCl의 용해도곱 CAg+×CCl-=K는 일정온도에서는 일정하므로 Cl-의 증가에 의하여 Ag+의 농도, 즉 AgCl의 용해도는 감소한다. 이런 현상을 공통이온효과라고 한다.또 약한 전해질인 CH3COOH의 수용액에 CH3COONa를 첨가하면 전자의 이온화는 감소한다.ex) 포화된 수산화칼슘 Ca(OH)2 용액에 NaOH 용액의 OH-을 첨가하면 용해도곱을일정하게 유지하기 위해서 Ca2+의 농도는 감소한다. → Ca(OH)2 침전○ 용 해 도용질이 용매에 용해할 때, 일정 온도에서는 그 양에 한도가 있다. 이 한도를 용질의 용매에 대한 용해도라 하며, 보통 용매 100 g 속에 용해하는 용질의 g 수로 나타낸다. 예를 들면, 물 100 g에 대하여 염화나트륨은 20 ℃에서 35.8 g까지 녹는다. 이 경우 염화나트륨의 물에 대한 용해도는 20 ℃에서 35.8이라고 한다. 이에 대하여, 용매 100 g 대신에 용액 100 g을 사용하는 경우도 있는데, 위의 염화나트륨의 예에서는35.8* { 100} over {100+35.8 } =26.4가 된다. 용질이 고체 또는 액체인 경우 용해도는 온도에 따라 변하는데, 대개의 경우 온도가 상승하면 용해도는 증가한다. 용질이 기체인 경우에는, 용해도는 온도 및 그 기체의 분압(分壓)에 의해서 변화한다. 즉, 일정량의 액체에 대한 기체의 용해도는 온도가 상승함에 따라 감소하고, 기체의 분압에 비례하여 증가한다. 그리고 용해도 이상으로 용질이 녹아 있는 불안정한 상태를 과포화용액이라고 한다.○ 용 해 도 곡 선압력이 일정할 때, 용해도는 온도에 따라 변화한다. 이 관계를 보통 가로축에 온도, 세로축에 용해도를 잡아 그래프로 나타낸 것을 용해도 곡선이라고 한다.○ 용 해 도 곱포화용액에서 염(난용성염인 경우가 많다)을 구성하는 양이온과 음이온과의 농도의 곱을 말한다. 이온평형에 대하여 질량작용의 법칙이 적용된다면, 일정한 온도에서는 포화용액의 농도 및 이온화상수는 일정한 것으로 간주할 수 있으므로, 용해도곱도 일정온도에서는 일정한 값을 보인다. 침전적정(沈澱滴定)에서 특히 중요한 값이다.예를 들면, 염화은의 포화수용액에서는, AgCl→Ag+＋Cl- 과 같은 평형이 성립되어 있다. 따라서, 이 때의 평형상수 K는

공학/기술| 2002.10.29| 4페이지| 1,000원| 조회(1,734)

용해도, 용해도곱상수, 용해도곱, 용해도곱 상수의 결정

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