[일반화학실험] 3. 탄산염 분석 레포트

1. 목적 : 탄산염이 염산과 반응할 때 발생하는 이산화탄소의 부피를 측정하여 탄산염의 종류를 알아낸다.
 
 
2. 기구&시약

• 시약: 알칼리 금속의 탄산염, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, 6M HCl(aq)
• 기구: 50㎖ 뷰렛, 100㎖ 삼각 플라스크, 고무 마개와 유리관, 고무관, 스탠드

 
3. 원리
(1) 불확정도
이 실험에서는 알칼리 금속의 탄산염에 염산을 넣을 때 발생하는 이산화탄소 기체의 양을 측정해서 알칼리 금속의 종류를 알아내는 과정을 통하여 측정에 영향을 줄 수 있는 불확정도 요인을 파악하고, 알칼리 금속의 종류를 알아내고자 하는 실험 목적을 고려할 때 어떤 불확정도 요인이 영향을 미칠 것인가를 알아본다.
 
(2) 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)

• 알칼리 금속은 M2CO3 형태의 탄산염을 형성한다.
• 알칼리 금속의 탄산염을 묽은 염산에 넣어주면 이산화탄소가 발생한다.
• 주어진 무게의 탄산염에서 얻어진 이산화탄소의 양을 알아내면 알칼리 금속 M의 종류를 알아낼 수 있다.



• 알칼리 금속의 탄산염이 염산과 반응할 때 발생하는 기체의 부피는 물을 채운 유리관을 이용하여 측정한다.

 
4. 유의사항

• 20㎖ HCl 용액에는 약 6.0×10-4 몰의 이산화탄소 기체가 녹으며, 유리관에 담긴 물에도 상당한 양의 이산화탄소가 녹는다. 이산화탄소가 물에 녹아서 생기는 불확정도를 제거하기 위해서는 유리관에 넣을 물을 이산화탄소로 포화시키는 것이 좋다. 200㎖에 0.3g의 Na2CO3를 넣고 6M HCl 1㎖를 넣으면 물을 포화시키기에 충분한 양의 이산화탄소가 발생한다.
• 이산화탄소의 양을 정확하게 측정하기 위해서는 수위 조절용기의 높이를 유리관의 수면과 같은 높이로 유지해야 한다.

 
5. 실험 과정

1. Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, 중의 하나를 선택해서 시료 0.1g의 질량을 정확하게 잰다.
2. 100㎖ 플라스크에 사용할 수 있는 고무 마개에 구멍을 뚫어서 유리관을 꼽고, 6M HCl 20㎖를 넣는다.
3. 50㎖ 뷰렛의 아래쪽에 수위 조절용기를 연결하고, 위쪽은 플라스크와 연결된 고무관을 연결한 후, 유리관의 물높이를 가장 높은 눈금 부근에 오도록 조절한다.
4. 플라스크의 마개를 열고 무게를 측정한 탄산염 시료를 재빨리 쏟아 넣고 마개를 단단히 막는다.
5. 플라스크를 조금씩 흔들어주면서 이산화탄소 기체가 더 이상 발생하지 않을 때까지 기다린다.
6. 수위 조절용기의 높이를 유리관의 수면과 같도록 조절한 후에 유리관의 눈금을 다시 읽고 기록한다.
7. 실험실의 온도와 압력을 기록한다.
8. 실험을 3회 반복한다.

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6. 실험 결과

	1회(Li2CO3)	2회(Na2CO3)	3회(K2CO3)
탄산염 시료의 무게	0.100g	0.100g	0.100g
반응이 시작되기 전의 유리관 눈금
반응이 끝난 후의 유리관 눈금
발생한 이산화탄소의 부피	6.9mL(이론값 18mL정도)	9mL	5mL
실험실의 온도	17℃ (수증기압 14.5mmHg)
실험실의 압력	1atm
물의 증기압이 보정된 압력	0.981atm
발생한 이산화탄소의 몰수	0.00028몰	0.000371몰	0.000206몰
탄산염의 분자량	357.14g/mol	269.54g/mol	485.4g/mol
탄산염의 분자식

 
- 실험 결과 처리

• 유리관에 모인 이산화탄소 기체가 받고 있는 압력을 얻기 위해서는 대기압에서 물의 증기압을 빼주어야 한다.
• 발생한 이산화탄소 기체의 부피와 실험실의 온도, 압력을 이상기체 상태 방정식 (PV=nRT)에 넣어서 발생한 이산화탄소의 몰수를 계산한다.
• 사용한 탄산염의 무게에서 알칼리 금속의 원자량을 구하고, 금속의 종류를 알아낸다.

 
<1> Li2CO3의 경우만 계산해보면

 
7. 고찰
(1) 위의 주의 및 참고 사항 (1)에서 이산화탄소의 용해도를 보정하지 않았다. 이는 실험에서 얻은 탄산염의 분자량에 몇 % 정도의 영향을 미치는가?
이산화탄소의 용해도를 보정하려면 몰수에 0.0006을 더해야한다.
보정을 하면

이는 실험에서 얻은 탄산염의 분자량에 214.2%의 영향을 미친다.

 
(2) 플라스크 마개를 열고 탄산염을 넣을 때 어쩔 수 없이 약간의 이산화탄소가 없어지게 된다. 발생된 이산화탄소가 손실되지 않도록 탄산염과 염산을 반응시킬 수 있는 방법을 고안해보자.
삼각플라스크 대신 Y자관을 사용한다.
 
[참고자료]
표준일반화학실험(제 7개정판), 대한화학회