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어는점측정예비 평가D별로예요

Ⅰ.목적이 실험을 통해서 어는점 내림법에 의하여 용질의 분자량을 측정하는 방법을 배우는데 있다.Ⅱ.이론순수한 물질의 용융액을 식혀 가면 액체의 온도는 계속 내려가다가 어떤 온도에 이르면 그 물질이 고체화하기 시작한다. 이 온도는 용융액이 모두 고체화하면 온도는 계속 내려간다. 이러한 양상을 시간-온도도표로 나타내 면 아래와 같은 냉각곡선인 얻어진다. (그림A)그러나 용매에 용질을 녹여 만든 용액의 냉각곡선은 순수한 용매의 대한 그것과는 매우 다르다. 용액을 식혀 가면 온도가 계속 내려가다가 어떤 온도에 다다르면 용매의 결정이 석출되기 시작한다. 용액에서 용매의 결정이 석출되기 시작하는 온도는 순수한 용매의 어는점보다 낮은데 이러한 어는점내림의 정도는 용액 중에 용질의 농도가 클수록 더욱 크다. 용매의 결정이 석출되기 시작하면 남아 있는 용액 중의 용질의 농도가 증가하므로 어는점은 계속 내려간다. 그러나 이 때의 온도강하속도는 용매의 결정이 석출되기 시작하기 전의 강하속도 보다는 느리다. 따라서 냉각곡선은 갑자기 꺾여진 꼴을 나타낼 것이다. 이러한 모양은 위의 그림 B에 나타나 있다.cf.용액에서 용질이 석출되기 시작하는 온도를 Tf라하고, 용질의 몰분율을 X라 하면 다음과 같은 식이 성립한다.logX=A-DELTAH/2.303RTf여기서DELTAH 는 용질의 표준 녹음열이고 R 은 기체상수이며 A 는 상수이다. 따라서 X 가 다른 여러 용액의 Tf를 측정하여 1/ Tf 에 대하여 logX를 도시하면 하나의 직선이 얻어질 것이고 이 직선의 기울기는 -DELTAH/2.303R과 같을 것이다. 기울기로부터DELTAH를 계산할 수 있다.우리가 이번 실험에서 다루게 되는 가장 중요한 이론은 어는점 내림이다. 이것은 총괄성질이라고 불리는 네 가지 묽은 용액의 성질 중하나이다.#용액의 총괄성#용매에 비휘발성 용질이 용해된 용액을 생각해 보자. "비휘발성"이란 용액 위의 용질의 증기압은 거의 무시할 수 있다는 것을 의미한다. 한 예로 설탕의 수용액을 들 수 있는데, 이 경우스의 화학자인 라울 (francois Marie Raoult)은 어떤 용액에서의 용매의 몰분율에 대한 용매의 증기압을 도시하면 거의 직선에 가깝다는 것을 알아냈다.(밑의 그림 참조) 이런 직선 관계를 따르면 용액은 다음의 간단한 식을 따르며,P1= X1*{ P}`_{1 } ^{ DEG }이 식을 라울의 법칙(Raoult's law)이라고 한다. 이러한 용액을 이상용액(ideal solution)이라 부른다. 직선성에서 벗어나는 용액을 비이상 용액(nonideal solution)이라 한다. 이런 편차는 양의 편차 (라울의 법칙에서 예측되는 것보다 높은 증기압)일수도, 음의 편차(낮은 증기압)일 수도 있다. 분자 수준에서 보면, 음의 편차는 용질이 용매 분자를 특별히 강하게 특별히 강하게 끌어 당겨서, 증기상으로 탈출하려는 경향이 감소되는 것이다. 양의 편차는 반대의 경우인데, 즉 용매와 용질 분자가 서로 강하게 끌어당기지 않는 경우이다. 그러나 해리 되지 않는 용질로 된 비이상 용액일 경우에도, 모든 실제 기체가 충분히 낮은 밀도에서는 이상기체로 행동하게 되듯이, X1이 1에 접근하면 라울의 법칙에 근접하게 행동한다.라울의 법칙은 총괄성질(colligative properties,"함께 모은다"를 의미하는 라틴어 colligare에서 유래)이라고 부르는 묽은 용액의 네 가지 성질의 근거가 된다. 이들을 총괄성질이라고 하는 것은 참여하는 특정한 입자의 성질보다는 용해된 입자의 수에 의해 생기는 집합적인 효과에 연유하는 까닭이다. 이 네 가지 성질은 다음과 같다.1.순수한 용매에 대한 용액의 증기압 내림2.끓는점 오름3.어는점 내림4.삼투압 현상여기서 네 가지 성질중 우리가 다루어야 할 어는점내림에 대해서 자세히 논하고 다른 세 성질은 대략적인 내용만 서술하도록 하겠다.#어는점 내림#어는점 내림(freezing-point depression)의 현상은 끓는점 오름과 유사하다. 용액으로부터 결정화되는 첫 번째 고체가 순수한 용매인 경우만 고려한다.순수한 고체 용매는' }-{ T}_{f }는 따라서 음수이며 어는점 내림이 관찰된다.온도변화DELTA{ T}_{f }는 역시 증기압 변화DELTAP1에 비례한다. 용매의 농도가 충분히 작을 경우에는 어는점 내림은 끓는점 오름의 경우와 비슷한 방식으로 몰랄 농도 m과 다음의 관계식을 갖는다.DELTA{ T}_{f }={ T}`_{f } ^{' }-{ T}_{f }= -{ K}_{f }m여기에서{ K}_{f }는 용매의 성질에만 관계하는 양의 상수이다. 어는점 내림현상 때문에 해수(해리된 소금을 포함)는 담수보다 어는점이 조금 낮다. 진한 소금용액에서는 어는점이 더 낮아진다. 얼음판이 된 길에 염을 뿌리면 얼음의 어는점이 내려가므로, 얼음이 녹게 된다.끓는점 오름과 어는점 내림을 이용한 미지시료의 몰 질량을 알 수 있다. 용액 중에서 해리가 일어난다면, 계산하는 데 존재하는 화학종(이온성이거나 중성)의 전체 몰랄 농도를 사용하여야 한다.#그 밖의 다른 성질들...#1)증기압 내림이 성분 용액에서 X1=1-X2이므로, 라울의 법칙을 다시 쓰면DELTAP1= P1-{ P}`_{1 } ^{ DEG }=X1{ P}`_{1 } ^{ DEG }-{ P}`_{1 } ^{ DEG }=-X2{ P}`_{1 } ^{ DEG }따라서 용매의 증기압의 변화(그리스 대문자인 델타,DELTA로 표시)는 용질의 몰분율에 비례한다. 음의 부호는 묽은 용액 위에 증기압이 순수한 용매 위 의 증기압보다 항상 낮다는 것을 의미한다.2)끓는점 오름순수한 액체나 용액의 정상 끓는점은 증기압이 1기압이 되는 온도를 말한다. 용해된 용질이 증기압을 감소시키므로, 용액의 온도가 올라가야만 끓게 된다. 즉, 용액의 끓는점은 순수한 용매의 경우보다 높아지게 된다 .이러한 현상을 끓는점 오름이라고 하며, 몰 질량을 계산할 수 있는 또다른 방법이 된다.묽은 용액의 증기압 곡선은 순수한 용매의 경우보다 약간 아래에 놓인다. 아래 그림에서 보면DELTAP1 은 Tb에서의 증기압의 감소이고,DELTATb는 증기압을 1기압으로 만들기 위한 막을 반투막이라고 하며 물과 같은 작은 분자는 통과하나, 단백질이나 탄수화물과 같은 큰 분 자는 통과하지 못한다. 보통의 셀로판 등의 반투막을 써서 작은 용매 분자 와 큰 용질 분자를 분리할 수있다.용액이 거꾸로 된 관에 들어있고 관 밑은 반투막으로 막혀있다고 하자. 이 용액은 용질의 농도가 리터당 c몰이다. 관의 끝을 순수한 용매가 들어 있는 비이커에 넣으면 용매가 비이커에서 관으로 흘러 들어가게 된다.(밑 의 그림 참조) 용액의 부피가 증가 하여 비이커의 용매 위로 높이 h가 되 어 평행에 도달할 때까지 관속의 용매가 올라 간다.관의 용액 쪽의 압력은 순수한 용매의 표면에 미치는 대기압보다 큰 삼투압(osmotic pressure) 양 만큼 높게 된다.pi= rho gh여기서rho는 용액의 밀도(묽은 수용액에서는 1.00g/cm3)이고,g는 중력가속도 (9.807m/s2)이다. 1887년 반트호프는 삼투압과 농도 그리고 절대온도 사이 에 중요한 관계를 발견하였다.pi =cRTR은 기체상수이며,pi는 기압단위로 나타내고, c를 mol/L로 표시하면 0.08206L atm mol-1 K-1이 된다. c=n/V가 되므로 (c는 용질의 양,V는 용액의 부피) 반트 호프식은 다음과 같이 쓸 수 있으며,piV=nRT이는 이상기체식과 놀랍게도 매우 유사하다. 이 식을 이용하여 용해된 물 질의 몰질량을 용액의 삼투압으로부터 구할 수 있다.#몰랄 농도(molality) & Kf(어는점 내림 상수)#몰랄 농도는 질량의 비로서 나타내며 온도에 무관하다. 몰랄 농도는 용매 1kg당 용질의 몰수로 정의한다.molality=용질의 mol수/용매의kg물의 밀도가 20℃에서 1.00g/cm3이므로 1.00리터의 물의 무게는 1.00*103g즉 1.00kg이 된다. 따라서 묽은 용액에서는 리터당 용질의 몰수는 물의 kg당 몰수와 근사적으로 같아 몰농도와 몰랄 농도는 거의 동일한 값을 갖는다. 수용액이 아닌 경우, 또는 진한 용액에서는 이러한 근사적인 등식이 성립되진 않는다.몰랄농도의mol용질}]×[1/kg용매]둘째 식에 주어진 단위를 이용하여 첫째 식에 숫자로 나타낸 값들을 치환한다. 만일 이 몰랄 농도가DELTAT켈빈의 어는점 내림을 가져오면 다음을 알게 된다.DELTAT=Kfw/Ms -----> Kf=MsDELTAT/w마지막 식으로부터 쉽게 Kf의 단위를 구할 수 있다.[(g용질/mol용질)×kg용매K]/g용질=kg용매K/mol용질온도의 차에 대해 통상의 위인 켈빈으로 어는점 내림을 측정하는 것에 주의한다. 도 온도 T1과 T2는 ℃로 측정한다. 그 다음에 켈빈으로 그 차를 구하기 위해 그것들을 뺀다. 빼기 전에 켈빈으로 각기 변화시킬 필요가 없는 이유는 각기 가해준 273.15가 상쇄되기 때문이다. 용매에 대한 Kf를 알면 이 값을 이용하여 용질의 몰질량을 구할 수있다. 위의 사실을 거꾸로 응용할 수도 있다.Kf ,DELTATf 로부터 용액의 몰랄 농도를 구한다. 그 다음에 몰랄 농도의 용질의 질량과 용매의 질량에 관한 지식을 이용하여 미지 화합물의 몰질량과 분자량을 구한다.cf.미지시료의 분자량은 미지시료의 분자식을 구하는데 필요로 하는 지식 의 일부분이다. 다른 지식의 중요한 일부분은 그 미지시료의 질량 조 성이다. 만약 미지시료의 질량 백분 조성을 안다면 이것을 통해 미지시 료의 가장 간단한 식인 실험식과 화학식량을 계산할 수있다. 분자량은 실험오차를 허용하며, 실험식의 화학식량의 정수배에 가까울 것이다. 이 정수배는 n으로 (분자식에 있는 실험식단위의 개수이다.) 일단 n을 알면 분자식과 그리고 정확한 분자량을 계산할 수 있다.이번 실험에서는 용질이 용액 중에서 해리나 회합하지 않는다고 가정한다. 즉 용질이 분자식에 상응하는 조성을 갖는 분자들로 존재한다고 가정한다. 보다 더 적은 단위로의 어떤 분열은 용액에 있는 입자들의 전체 몰수를 늘린다. 그 결과 어는점 내림에 대하여 증가된 값들이 얻어진다. 염화나트륨(NaCl)과 같은 이온성 물질이 물에 용해할 때, 이런 분열이 일어나는데 이온성물질은 용액 중에서 이온들로 거의 완전

자연과학| 2001.05.15| 14페이지| 1,000원| 조회(1,133)

어는점내림

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