이산화탄소의 분자량 측정 실험 - isanhwatansoui bunjalyang cheugjeong silheom

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[자연과학]일반화학실험 – 이산화탄소의 분자량화학실험결과

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결과 보고서
이산화탄소의 분자량

1. Abstract

압력과 온도가 동일한 조건에서 기체 시료의 총 부피는 그 물질량에 비례하며 그 비례상수는 기체의 종류에 무관하다. 즉, 일정한 압력과 온도에서 V=상수×n 이라고 할 수 있고, 이러한 결론은 현대적 형식의 Avogadro의 법칙이라고 한다. 이와 같이 아보가드로의 법칙과 이상기체상태방정식을 이용하여 이산화탄소의 분자량을 측정할 수 있다.
M =(wRT)/(pV) M : M` = w : w` ①
이산화탄소는 우리 주변에서도 흔히 사용되고 있는 물질이다. 우리가 호흡할 때 내쉬는 숨의 대부분이 이산화탄소이고, 식물들은 이산화탄소를 이용해서 광합성을 한다. 자주 마시는 탄산음료나, 맥주와 샴페인에도 이산화탄소가 들어있다. 대기 중의 이산화탄소는 지구의 온도를 일정하게 유지시켜주는 역할(온실효과)을 하기도 한다. 이런 이산화탄소에는 승화성이 있다.
오늘 첫 번째 실험에서는 공기의 질량, 분자량과 이산화탄소의 질량과의 관계에 아보가드로의 법칙을 적용하여, 이산화탄소의 분자량을 측정하여 본다. 또 두 번째 실험에서는 삼중점을 이용하여 가루로 만든 드라이아이스를 타이곤 튜브에 넣고 이산화탄소의 액화, 응고 등, 삼중점 부근에서 이산화탄소의 상변화를 살펴본다.
2. Data and Result

`실험 A : 이산화탄소의 분자량 측정`

첫 번째 weighing : 78.881g
첫 번째 온도 : 17℃
두 번째 weighing : 78.911g
두 번째 온도 : 16℃
플라스크의 부피 : 140㎖

`실험 B : 이산화탄소의 삼중점 관찰`

타이곤 튜브에 드라이아이스를 넣으면 곧바로 흰색의 연기가 나기 시작한다. 니플을 이용해서 튜브를 밀봉하면 튜브가 점점 부풀어 오르기 시작한다. 그리고 튜브 안에 조금씩 액체가 생겼다. 그러다가 …(생략)
바킹 하나의 조임새를 조금 풀어주니 액화된 이산화탄소가 사라졌다.

3. Discussion

(1) 실험 A의 결과분석

① 먼저 이상기체의 상태방정식을 살펴보자.
PV = nRT
이 식에서 P는 기체의 압력을, V는 기체의 부피를, n은 기체의 몰수를, R은 기체 상수를, T는 기체의 온도를 의미한다. 그런데 기체의 몰수 n은 기체의 질량을 기체의 분자량으로 나눈값과 같다. 따라서 기체의 질량을 w, 기체의 분자량을 M으로 두고 이상기체의 상태방정식을 다시 표현해보면,

여기서 우리가 구하고자 하는 것은 이산화탄소의 분자량인 M이므로 다시 고쳐쓰면
가 된다.

② 첫 번째 weighing을 A, 두 번째 weighing을 B라고 한다. 그리고 이상기체상태방정식으로부터 얻는 공기의 질량을 C라고 한다. A는 플라스크와 유리판, 그 속의 공기의 질량의 합이고, B는 플라스크와 유리판, 그 속의 이산화탄소 기체의 질량의 합이다. 에 의해서 플라스크 안에 들어있던 공기의 질량은 구해보자. 실험시간에 공기의 평균 밀도를 28.96gmol-1g로 생각하기로 했고, R은 기체상수로 R=0.08206ℓatmmol-1K-1이다. T는 플라스크에 공기만 있을 때의 온도로서 측정값은 17℃였다. 여기서는 K을 단위로 쓰고 있으므로 17 + 273② = 290K이다. 압력 P은 대기압과 같은 1atm으로 한다. V는 플라스크에 물을 채운 뒤, 메스플라스크를 이용해서 측정하였다. 측정결과 140㎖였다. 여기서는 ℓ를 단위로 쓰고 있으므로 1.4 × 10-1ℓ이다. 이 값들을 대입해서 구한 공기의 질량은 0.170g이다.

③ 이산화탄소 질량=B-A+C=(플라스크+유리판+이산화탄소)-(플라스크+유리판+공기)+공기=78.911-78.881+0.170=0.2g이다. 다른 값들은 위와 모두 동일하고, 온도만 16℃(=289K)가 되었으므로 그 값들을 모두 대입하여 구한 이산화탄소의 분자량은 33.879이다.

④ 기존의 정밀한 실험으로부터 구한 원자량을 통해 얻은 이산화탄소의 분자량은 44.01이다.③ 이론값과 실제 실험으로 계산해낸 분자량에 오차가 생긴 이유를 생각해보자. 실험에서 플라스크에 드라이아이스를 넣고 승화되어 이산화탄소기체가 공기를 밀어내고 플라스크를 모두 차지할 때까지 기다렸었다. 계산한 분자량이 실제보다 작은 값을 나타내는 것은, 이때 시간이 너무 많이 흘러서 이산화탄소기체도 일부가 빠져나가고 다시 공기가 채워졌거나, 드라이아이스가 모두 기화하지 않았기 때문일 것이라고 추정할 수 있다.

(2) 실험 B의 결과분석

이 실험의 관찰 결과는 상평형곡선을 이용해서 설명할 수 있다.
④
상온은 25℃, 1atm이기 때문에, 상평형곡선에 따르면 우리가 일상생활에서 보는 이산화탄소의 상태는 기체상태이다. 니플로 타이곤 튜브를 밀봉하였을 때, 이산화탄소는 자꾸 기화하지만, 전체 부피는 증가하지 않는다. PV=nRT로부터 생각해보면 우변의 n은 자꾸 커지는데, V는 증가하지 않으므로 P가 증가하게 된다. 그래서 타이곤 튜브 내부의 압력이 증가하게 되고, 위 상평형곡선에서 액체의 영역까지 압력이 증가한다. 그래서 타이곤 튜브 내부에서 무색 투명한 이산화탄소 액체를 관찰할 수 있다. 그러나 액체가 생성될 때의 뚜렷한 변화는 관찰하지 못했다. 그것은 바킹의 조임새를 제대로 조이지 못해서 이산화탄소가 계속 새었기 때문이라고 생각된다.
4. Reference

① http://147.46.41.146/~chemlab/exp/exp3.htm 참조
② HIGHTOP 화학Ⅱ, p427
③ Principles of Modern Chemistry, 5th Edition, Oxtoby, Gillis, Nachtrieb, Saumders College Publishing, 속표지
④http://www.topianet.co.kr/open/%B0%ED%B1%B3%C8%AD%C7%D0/1/11/%C8%AD%C7%D0%B1%B3%B0%FA/chm414.htm 참조