[표준일반화학실험] 12. 엔탈피 측정 실험 레포트(미완성)

1. 목표

(1) 산과염기의 중화반응을 이용해 엔탈피가 상태함수임을 확인한다.

(2) 여러 가지 화학 반응에 수반되는 열의 출입 현상을 관찰하고 반응열을 설명할 수 있다.

(3) 화학 반응이 여러 단계로 일어날 때 각 단계의 반응열을 측정하여 헤스 법칙이 성립함을 확인한다.

 

2. 기구&시약

• 시약 : 0.25M HCl(hydrochloric acid), 0.5M HCl(hydrochloric acid) , NaOH 고체(sodium hydroxide), 0.5M 수산화 나트륨(NaOH) 수용액
• 기구 : 삼각 플라스크 250 mL 3개, 비커 500 mL, 눈금 실린더 100 mL, 온도계, 화학 저울, 스티로폼 또는 솜

 

3. 원리

(1) 반응 엔탈피와 반응열

① 엔탈피(H)

• 물질로 구성된 계의 에너지를 표현하는 상태 함수의 일종으로 일정한 압력 조건에서 열을 내놓을 수 있는 열역학 포텐셜
• 절대값을 알 수 없어 엔탈피의 변화량인 반응 엔탈피만 측정할 수 있다.

 

② 반응 엔탈피(ΔH) : 일정한 압력(대기압) 조건에서 화학 반응이 일어날 때 엔탈피 변화량

 

(2) 내부 에너지 변화와 결합 에너지

: 표준 상태에서 수행되는 화학 반응에서 내부 에너지 변화는 반응물이 생성물로 변하는 과정에서 물질의 결합 에너지의 차이에 의해 초래된다.

• 화학 반응을 할 때 방출하거나 흡수되는 열은 반응물의 결합 에너지와 생성물의 결합 에너지 차이이다.
• 전체 반응의 반응 엔탈피 = 흡수된 에너지 + 방출된 에너지

• 반응물의 결합에너지 < 생성물의 결합에너지 → 차이만큼 에너지가 방출되는 발열 반응이 일어남
• 반응물의 결합에너지 > 생성물의 결합에너지 → 차이만큼 에너지가 흡수되는 흡열 반응이 일어남

 

(3) 반응과 온도변화

• 발열반응 : 결합에너지의 차이로 방출된 에너지는 반응계에 의해 흡수되어 분자들의 운동에너지를 증가시키므로, 계의 평균 분자 운동 에너지와 비례하여 온도가 일시적으로 증가
• 흡열반응 : 결합 에너지의 차이를 계의 분자 운동에너지로부터 흡수하므로 평균 분자 운동 에너지와 비례하여 온도가 일시적으로 감소
• 발열반응과 흡열반응으로 계와 주위의 열평형이 깨지면 표준 상태를 회복할 때까지 열의 이동이 일어난다.
• 반응열(Q) : 주위가 계로부터 얻은 열. 반응 엔탈피(ΔH)와 크기는 같고 부호는 반대이다.

 

(4) 열량계

: 주위와 계 사이의 열의 출입에 의한 주위의 온도 변화를 측정해 계에서 출입한 열량을 측정할 수 있도록 제작된 장치

• 간이 열량계 : 부피 변화가 거의 없는 스타이로폼으로 만든 것으로, 반응 엔탈피를 비교적 정확히 측정할 수 있다.
• 통열량계 : 밀폐도가 크며 간이 열량계보다 반응 엔탈피를 좀 더 정확히 측정할 수 있다.
• 두 열량계 모두 주위는 물로 구성 → 계와 주위에 출입하는 열에 의한 물의 온도 변화를 측정하여 열량을 계산한다.

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(5) 헤스 법칙

• 헤스법칙 또는 총열량 불변의 법칙 : 화학 반응에서 반응 엔탈피(△H)는 그 반응의 처음 상태와 나중 상태만으로 결정되며 경로에는 무관하다.
• 헤스의 법칙이 성립하는 이유 : 엔탈피가 상태 함수이므로 처음과 나중의 상태만 같으면 어떠한 경로를 거쳐도 변화량은 같은 값을 나타내기 때문이다.

(예) 메테인을 탄소와 수소로부터 합성할 때의 반응열을 다음과 같은 반응들의 반응열을 이용하여 간접적으로 측정할 수 있다.

 

(6) 중화 반응과 헤스 법칙

• 중화 반응 : 산과 염기가 반응하여 물이 생성되는 반응
• 알짜이온반응식 : H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)
• 하지만 실제 반응에서는 산과 염기를 반응시키는 과정에서 용해, 희석이 일어남

→ 실험에서 이러한 과정을 단계별로 나누어 반응열을 측정하여 헤스 법칙이 성립하는가를 확인하려고 한다.

• △H₁ = △H₂ + △H₃
• 수산화 나트륨 고체를 묽은 염산에 녹여 측정한 반응열(△H₁)=수산화 나트륨을 물에 녹여 측정한 용해열(△H₂) + 수산화 나트륨 수용액과 묽은 염산을 반응시킨 중화열(△H₃)

 

4. 유의사항

• HCl과 NaOH 용해 반응은 모두 발열 반응이므로 용액을 미리 만들어 실온으로 식힌 것을 사용한다.
• HCl 용액과 NaOH은 부식성이 있고 눈을 상하게 할 수 있으므로 비닐 장갑과 보안경을 반드시 착용하고 실험한다.
• NaOH의 질량을 너무 천천히 측정하면 조해성 때문에 시료를 재는 종이에 시약이 달라붙으므로 신속히 다루도록 한다.
• 온도계는 얼음물과 끓는물을 이용하여 보정한 후 사용한다.
• 용액의 온도를 측정하기 위해서는 온도계가 용액의 가운데에 위치하도록 장치한다.
• 눈금 실린더를 사용할 때 정확한 양을 측정하기 위하여 마지막 눈금은 스포이트로 맞춘다.
• 스포이트는 눕히지 않고 세운 후 엄지와 검지를 이용하여 고무를 잡고 나머지 세 손가락을 이용하여 유리관을 고정시킨 후 사용한다.
• HCl이나 NaOH 용액을 만들 때에는 반드시 물에 염산이나 수산화나트륨을 넣어 만든다. 염산이나 수산화 나트륨에 물을 부을 경우 매우 많은 열이 급격히 발생하면서 유리 기구가 깨질 염려가 있다.
• 초기 온도는 열적 평형에 도달하기까지 기다린 후 측정한다.
• 저울은 영점 조절 후 사용한다.

 

5. 실험 과정

A. △H4의 측정

1. 250 mL 삼각 플라스크를 깨끗이 씻어 말린 후에 무게를 0.1 g까지 측정하고, 스티로폼으로 잘 싸서 단열이 되도록 한다.
2. 0.25 M 염산 용액 200 mL를 넣고 온도를 0.1℃까지 정확하게 측정한다.
3. 약 2 g의 고체 수산화 나트륨을 0.01 g까지 재빨리 측정하여 플라스크에 넣고 흔들어준다.
4. 용액의 온도가 가장 높이 올라갈 때의 온도를 기록하고, 플라스크의 무게를 잰다.

 

B.  △H5의 측정

1. 0.25 M 염산 용액 대신 증류수 200 mL로 실험 A를 반복한다.

 

C. △H6의 측정

1. 250 mL 삼각 플라스크를 깨끗이 씻어 말린 후에 무게를 0.1 g까지 측정하고, 스티로폼으로 잘 싸서 단열이 되도록 한다.
2. 0.5 M 염산 용액 100 mL를 넣고 온도를 0.1℃까지 정확하게 측정한다.
3. 눈금 실린더에 0.5 M 수산화 나트륨 용액 100 mL를 취해서 온도를 측정하여 염산 용액과 온도가 같은가를 확인한다.
4. 수산화 나트륨 용액을 염산 용액에 재빨리 넣고, 온도가 가장 높이 올라갔을 때의 온도를 기록한다.