1. 목표 : 이상기체 상태 방정식을 이용하여 일회용 가스라이터 속 기체와 아이소프로판올의 분자량을 측정할 수 있다.
2. 기구&시약
시약 : isopropyl acetate 또는 2-propanol(isopropyl alcohol) 또는 ethyl acetate
기구 : 100mL 둥근바닥 플라스크 또는 삼각플라스크, 500mL 비커, 10mL 눈금 피펫, 바늘, 온도계, 가열기(핫플레이트), 스탠드, 클램프, 링 또는 삼각대, 쇠그물망, 화학 저울, 알루미늄박, 종이수건, 50mL 눈금 실린더, 면장
3. 원리
(1) 몰질량 : 질량수 12인 탄소 12g에 들어 있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수라고하며, 아보가드로 수 만큼의 원자 또는 분자를 1몰이라고 정의한다.
(2) 기체의 분자량 구하기
이상 기체의 상태 방정식을 이용해 질량, 온도, 압력, 부피를 측정하면 분자량을 구할 수 있다.
증기의 온도 : 열평형을 가정해 물중탕의 온도로 측정한다. 그러므로 충분한 시간을 두어 열평형이 이루어지도록 해야 한다.
(3) 돌턴의 부분압력 법칙과 기체의 수상 포집
돌턴의 부분압력법칙 : 혼합기체가 나타내는 전체 압력은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같다.
돌턴의 부분 압력 법칙이 성립되는 이유 : 기체가 나타내는 압력이 기체의 종류에 관계없이 몰수(분자 수)에 의해서 결정되며, 기체 분자가 상호간에 어떠한 작용도 없이 독립적으로 움직이기 때문이다.
수상포집에 의해 모여진 기체 혼합물 압력- 기체 방울이 물을 통과하는 동안 수증기와 섞이게 되며, 모여진 기체 혼합물에서 기체의 전체 압력은 포집한 기체와 수증기에 의해 나타나는 분압의 합과 같다. 수증기의 분압은 단지 온도에 의해서만 결정된다.
(4) 아이소프로판올 : 상온에서는 액체이지만 끓는점(82.4℃)이 비교적 낮아 기화시키기 쉽다.
4. 유의사항
아이소프로판올 실험에서 포일에 뚫은 구멍의 크기가 크거나 알루미늄 포일을 덮은 길이가 길어 물에 젖으면 오차가 크게 발생한다.
증발한 기체를 직접 흡입하지 않도록 조심하고, 실험실의 환기가 잘 되도록 유의한다.
가열된 플라스크 등에 화상을 입지 않도록 주의한다.
5. 실험과정
깨끗하게 씻어서 말린 100mL 둥근 바닥 플라스크에 알루미늄박으로 뚜껑을 만들어 씌우고, 바늘로 작은 구멍을 뚫는다. 구멍의 크기는 작을수록 좋다. (COMMENT: 알루미늄 포일로 덮어씌울 때, 플라스크의 입구만 겨우 감쌀 정도로 조금 사용한다.)
뚜껑을 덮은 플라스크의 무게를 화학 저울을 사용해서 정확하게 측정한다.
플라스크에 약 3mL의 액체 시료를 넣고 뚜껑을 다시 막고 스탠드에 고정시킨다.
500 mL 비커에 물을 절반 정도 채우고 끓을 때까지 가열한다. (COMMENT: 시간을 아끼기 위해 먼저 가열하고 1~3을 진행하는 것이 좋다.
플라스크를 비커의 바닥에 닿지 않을 정도로 물 속에 깊이 넣는다. (COMMENT: 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 굴절 때문에 기체가 새어 나가는 것을 관찰할 수 있다. 플라스크 속의 액체를 증발시킬 때는 비커의 물을 잘 저어 주며 플라스크 속으로 물이 들어가지 않게 유의한다.)
끓는 물의 온도와 대기압을 측정하고, 플라스크 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다. 플라스크를 비커에서 꺼내면 안된다. 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 산란 때문에 기체가 새어 나오는 것을 관찰 할 수 있다. (휴대용 전지를 사용하면 좋다.)
플라스크의 액체가 모두 기화하면 잠시 기다린 후에 플라스크를 끓는 물에서 꺼내 식힌다. 플라스크는 매우 뜨거우므로 손으로 만지지 말고 면장갑을 끼고 꺼낸다.
플라스크 바깥에 묻어 있는 물기를 종이수건을 사용해서 완전히 닦아낸다.
바깥을 완전히 말린 플라스크와 뚜껑의 무게를 다시 측정한다.
플라스크를 깨끗하게 씻은 후에 증류수를 가득 채우고, 눈금 실린더를 사용해서 증류수의 부피를 측정하고 이 값을 이용해서 플라스크의 부피를 계산한다.
시간이 허용되면 위의 실험을 한 번 더 반복한다.
6. 실험 결과
- 아이소프로판올 이용했을 때(이론값 60.10)
1. 플라스크와 알루미늄 뚜껑의 처음 무게 : 48.6578 g
2. 식힌 플라스크와 알루미늄 뚜껑의 질량 : 48.9961 g
3. 응축된 시료의 무게 : 0.3383 g (COMMENT: 2에서 1을 빼야 한다. 책에는 반대로 나와 있으니 유의)
4. 끓는 물의 온도 : 88.5 ℃
5. 실험실 기압 : 1atm
6. 플라스크 부피 : 142 mL
7. 액체 시료의 몰질량 : 70.7 g
오차 약 17%
7. 고찰(생각해볼 사항)
(1) 이 실험에 사용하는 액체 시료는 어떠한 성질을 가지고 있어야 실험 목적에 가장 적합하겠는지 생각해보자.
- 끓는점이 비교적 낮아 기화가 잘 되어야 하며, 물에서 중탕을 하므로 물보다 끓는점이 낮아야 한다.
- 기화하므로 인체에 해가 적어야 한다.
- 플라스크 안 공기를 밀어내고 기화된 시료가 플라스크를 가득 채울 수 있도록 하여 부피를 측정하므로, 증기의 밀도가 공기의 밀도보다 커야 한다.
(2) 액체 시료의 양이 충분하지 않아서 기화한 시료가 플라스크를 완전히 채우지 못했다면 어떤 결과가 얻어지겠는가? 분자량이 100이라면 최소한 몇 g의 시료가 필요한가?
- 실제 기체의 부피는 플라스크 부피보다 작지만, 계산 시에는 기체의 부피를 플라스크 부피와 같다고 놓는다. 따라서 실제보다 분자량이 더 작게 특정된다.
COMMENT : 압력, 부피, 온도에는 앞 실험에서 측정한 값을 대입하면 된다.
(3) 액체 시료에 기화하지 않는 불순물이 녹아있다면 실험 결과가 어떻게 되겠는가?
질량 W2-W1에서 W2가 크게 측정되어 질량값이 커지고 분자량이 크게 측정된다.
(4) 이 실험에서 플라스크를 물 속 깊이 잠기도록 해야 하는 이유를 설명하여라.
플라스크 속 기체의 온도를 물의 온도와 같게 하기 위함이다. 플라스크가 물 속에 깊이 잠기지 않는다면 플라스크 윗부분과 아랫부분의 온도 차이가 발생한다. 우리가 분자량을 구할 때는 플라스크 아랫부분의 온도를 사용하는데, 온도차이가 발생하면 실제 플라스크 안의 온도는 측정된 플라스크 온도보다 낮을 것이다. 따라서 실제보다 높은 온도로 계산하여 분자량이 크게 측정될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 플라스크를 물 속 깊이 잠기도록 한다.
(5) 아이소프로판올이 모두 기화한 후 플라스크를 꺼내어 표면에 묻어 있는 물을 닦고, 실온이 될 때까지 방치하여 두면 시료는 어떤 변화가 일어나는지 설명해보자.
아이소프로판올이 모두 기화된 플라스크는 높은 온도의 상태인데, 이를 실온이 될 때까지 방치하면 온도가 내려가면서 기화되었던 아이소프로판올이 다시 둥근 바닥 플라스크 내부에 응결되어 액체 상태로 돌아오게 된다.
(6) 아이소프로판올을 증발시킬 때 기체가 플라스크 내벽에 응축하거나 액체 시료에 기화하지 않는 불순물이 녹아 있다면 실험 결과가 어떻게 되겠는가?
- 내벽에 응축할 때는 시료가 기화하여 플라스크를 가득 채우지 못하므로 실제보다 부피가 더 크게 측정되어 분자량이 작게 계산된다.
- 불순물 : (3) 참고
(7) 알루미늄 포일의 구멍을 뚫는 이유를 설명하시오.
시료가 기화하면서 증기압이 점점 커지는데 이는 폭발할 수 있다. 따라서 플라스크 내부 압력을 대기압과 일정하게 맞추기 위해 구멍을 뚫어 공기가 빠져나가고 시료가 플라스크 안을 채울 수 있도록 하기 위함이다.
