[일반화학실험] 6. 기체 상수 결정 실험 보고서 레포트

1. 목적 : 일정한 양의 산소와 이산화탄소를 발생시켜 이상 기체 상태 방정식을 이용하여 기체 상수 값을 구할 수 있다.

 
 

2. 시약&기구

• 시약 : KClO3 2g, MnO2 0.2g, NaHCO3 1.2g
• 기구 : 시험관(1.5cm*1.5cm) 2개, 눈금 실린더(500mL) 2개, 스탠드 1개, 클램프 1개, 핀치 클램프 1개, 수조, 실리콘 마개(시험관용) 2개, 유리관(실리콘마개에 끼울 수 있는 ㄱ자형) 2개, 플라스틱 관(5~7mm) 2개, 점화기, 전자저울, 온도계

 
3. 원리

(1) 아보가드로 법칙
모든 기체는 같은 온도와 압력, 같은 부피 속에 같은 수의 분자가 존재하므로 일정한 온도와 압력에서 몰수가 같으면 기체의 종류와 관계없이 그 부피가 같다. 따라서 이상기체 상태 방정식의 기체 상수 R은 기체의 종류에 관계없이 일정하다.
 
(2) 기체상수

 
(3) 이상기체 방정식 : 대부분의 기체는 높은 온도와 압력에서 이상기체 상태방정식을 만족한다.

 
(4) 실험 반응
① KClO3(염소산칼륨)의 가열을 통한 산소 기체 발생

- MnO2(이산화망가니즈)의 역할 : KClO3의 분해 반응 촉매로 작용하여 산소 발생 속도를 증가시킨다.

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② NaHCO3(탄산수소나트륨) 가열을 통한 이산화탄소 기체 발생

• 발생한 기체의 질량 : 가열하기 전과 후의 고체 시료의 무게 차이로 계산
• 발생한 기체 부피 : 기체 발생 장치에서 밀려나간 물의 부피로부터 계산
• 발생한 기체만의 압력 : 시약병의 위쪽에는 발생한 기체와 함께 수증기도 포함되어 있으므로 산소 기체의 압력을 정확하게 알아내기 위해서는 수증기의 부분 압력을 보정해주어야 한다. (산소압력-수증기압력)

 

4. 유의사항

• 염소산 칼륨은 오븐이나 증발 접시에서 약한 불로 가열하여 충분히 건조된 것을 사용해야 한다.
• 이산화 망가니즈는 도가니에서 실험 전에 1~2분 정도 가열하여 수분을 완전히 제거해야 한다.
• 알코올램프의 메탄올은 절반 이하로 넣어 쓰러져도 알코올이 쏟아지지 않게 한다.
• 마개 및 연결 부분을 통하여 기체가 새어 나가지 않는가 장치를 확인해야 한다.
• 시험관을 서서히 가열하여 산소 기체가 급격하게 발생하지 않도록 한다. -> COMMENT: 산소 발생이 순식간에 일어나 눈금실린더 부피보다 큰 부피로 발생하게 되면 다시 실험을 해야 한다. 알코올램프를 왔다갔다하며 산소기체가 천천히 발생되도록 한다.
• 부피를 측정하기 전에 눈금 실린더와 수조의 수면의 높이가 같아지도록 수조의 높이를 조절한다. -> COMMENT: 물기둥의 압력을 고려하지 않기 위해 높이를 조절한다.

 

5. 실험과정

(1) 실험 A. 산소 기체

1. 그림 6-1과 같은 기체 발생 장치를 만든다. 마개와 유리관의 연결 부분으로 기체가 새어나가지 않도록 조심한다. 비커에 연결된 유리관은 시약병의 바닥에 닿을 정도로 충분히 길어야 한다.
2. 시약병에 물을 가득 채우고 시험관으로 연결된 유리관에서 입김을 불어넣어 비커 쪽으로 연결된 유리관에 물이 채워지게 만든 다음에 조임 클램프로 고무관을 막아두고, 다시 시약병에 물을 가득 채운다.
3. 비커의 물을 버린 다음에 제 위치에 다시 놓고 클램프를 열어둔다.
4. 약 2g의 KClO3와 0.2g의 MnO2를 시험관에 넣고 무게를 측정한다.
5. 그림 6-1과 같이 시험관을 거의 수평이 되도록 고정시킨다. 시료가 시험관의 벽을 따라 넓게 퍼지도록 해야 하지만 시료가 고무 마개에 닿아서는 안 된다.
6. 알코올 램프를 사용해서 시험관 전체를 서서히 가열한다. 산소가 발생하면서 시약병의 물이 비커로 밀려나오게 된다. 산소 기체가 너무 급격하게 발생하지 않도록 시험관을 서서히 가열해야 한다.
7. 비커로 밀려나온 물의 양이 500~600 mL가 되면 가열하는 것을 멈추고 시험관이 식을 때까지 기다린다.
8. 비커의 높이를 조절해서 비커와 시약병에 담긴 물의 수면 높이를 같도록 하고 고무관을 조임 클램프로 막는다.
9. 눈금 실린더를 사용해서 비커 속의 물의 양을 측정하고, 시험관의 무게를 측정한다.
10. 대기압을 기록하고, 시약병에 담긴 물의 온도를 측정한다.

(2) 실험B. 이산화탄소 기체

1. 실험 A와 같은 장치의 시험관에 1.2g 정도의 NaHCO3를 넣고 서서히 가열하면서 같은 방법으로 실험을 반복한다. 다만, 시험관을 식힐 때에는 생성된 NaOH에 의한 물의 흡수를 방지하기 위하여 시약병과 연결된 마개(유리관이 끼어 있는)를 시험관에서 뺴고 다른 고무 마개로 시험관의 입구를 다시 막은 다음 식히도록 한다. 뜨거울 수 있으므로 면장갑을 끼고 한다.

 

6. 실험 결과

	KClO3	NaHCO3
가열하기 전 시료를 넣은 시험관의 무게	49.481 g	33.805 g
가열한 후 시료를 넣은 시험관의 무게	49.316 g	33.487 g
발생한 기체의 무게	산소 : 0.165 g	이산화 탄소 : 0.318g
발생한 기체의 몰수	5.16*10^-3 mol	7.23*10^-3
발생한 기체의 부피	155 mL	163.8 mL
대기압	757.7 mmHg	760 mmHg
물의 온도	18.1 ℃	20.0 ℃
물의 증기압	15.6 mmHg	17.5 mmHg
기체의 부분 압력	742.1 mmHg	742.5 mmHg

728x90

기체 상수
- 산소

- 이산화 탄소

 
 

7. 고찰(생각해볼 사항)

(1) 이 실험에서 사용하는 기체에 따라서 시약병에 넣는 액체를 적절하게 선택해야 한다. 기체와 액체의 어떤 성질을 고려하여 액체를 선택해야 하겠는가?
이 실험은 수상치환을 통해 기체를 포집하므로 수상치환이 가능하도록 하기 위해서는 기체가 액체에 녹지 않아야 한다. 따라서 액체에 대한 기체의 용해도를 고려해여 기체를 녹이지 않는 액체를 선택한다. 그리고 기체와의 반응성이 없어야 하며 휘발성이 작아야 한다.
 
(2) KClO3와 NaHCO3를 사용한 실험에서 얻은 기체 상수 값이 다른 이유는 무엇이겠는가?
NaHCO3가 분해되면 NaOH가 생성되는데 이는 조해성이 있어 물을 흡수하므로 가열 후 시험관의 질량이 크게 측정된다. 따라서 이산화 탄소의 질량이 작게 측정돼 R에 오차가 발생한다.
또한 물에 대한 산소와 이산화탄소의 용해도가 다르므로 R값이 다르게 나온다.
그 외에 실험 상의 측정에 오차가 있어 기체 상수 값이 다르게 나왔을 것이다.
 
 
(3) 이 실험에서 시약병 속에 산소 기체나 이산화탄소 기체의 부분 압력은 대기압과 수증기의 증기압의 차이로 계산하였다. 이런 계산이 가능한 것은 어떤 이유 때문이며, 어떤 경우에 그런 계산이 가능하겠는가?
눈금실린더 속에는 발생한 기체와 수증기가 함께 혼합되어 있다. 돌턴의 부분압력 법칙에 의하면 혼합기체의 압력은 각 성분의 부분압력의 합과 같다. 따라서 대기압 = 기체의 압력 + 수증기의 압력이므로 기체만의 압력을 구하기 위해서는 대기압에서 수증기의 압력을 빼서 계산할 수 있따. 수조와 눈금실린더 높이가 같은 경우 물기둥의 압력을 고려하지 않아도 된다.
 
(4) 시험관이 실온으로 식기 전에 부피를 측정하면 실험 결과에 어떤 영향이 있겠는가?
실온보다 온도가 더 높은 경우 부피가 크게 측정되어 기체상수가 실제보다 더 크게 계산되고 오차가 발생한다. 따라서 기체의 부피를 측정하기 전에 시험관이 식을 때까지 기다린다. 이렇게 되면 눈금실린더와 수조의 온도가 같아 눈금실린더 내부 수증기 분압을 물의 온도에 따른 수증기압으로 계산할 수 있다.
 
 
 
참고문헌
표준일반화학실험 제 7개정판, 대한화학회, 60-64쪽