이산화탄소 분자량 실험 - isanhwatanso bunjalyang silheom

< 화학실험 1(00)>

이산화탄소의 분자량 측정

부

2021-

이

◎ Introduction

이 실험에서는 우리 주위를 구성하는 분자에 대한 분야인 분자론을 다룬다. 우리 주변의 물질들은 비

활성 기체나 금, 은과 같은 원자 상태로 존재하는 일부 경우를 제외하고는 대부분 분자의 형태로 존재

하며, 이 때문에 분자량을 정확히 구하는 것은 굉장히 중요하다.

분자, 특히 기체 분자의 분자량은 아보가드로의 법칙을 이용해 구할 수 있다. 아보가드로의 원리에 따

르면 같은 온도에서 같은 부피의 분자에는 같은 개수의 분자가 들어있으므로 분자량을 측정하면 분자

량을 구할 수 있게 된다. 이 실험에서는 드라이아이스를 이용하여 쉽게 순수한 기체 시료를 얻을 수 있

으며, 대기보다 분자량이 작다고 알려진 이산화탄소의 분자량을 실험적으로 측정할 것이다.

◎ Result & Analysis

- 실험 외부조건

기온 : 288K라 가정 기압 : 1atm 공기 분자량 : 28/mol 이산화 탄소의 이론적 분자량 : 44/mol

<1.>이산화탄소의 분자량 측정

항목 V (공기, 부피플라스크M ) (공기, M유리판) (이산화탄소M , 전체) T 작은 부피 플라스크 117mL 56 11 68 273 큰 부피 플 라스크 295mL 115 11 127 273 몰수 n = 질량 w/ 분자량 m이며 이를 이상기체방정식 PV=nRT에 대입한 후 이항해주면 m = w x RT/PV, w = m x PV/RT 와 같이 되므로 이를 이용해서 공기의 양 w = 28 x V/(0 x T)이므로 작은 플라스크의 경우: 공기의 양 = 28 x 0 / (0 x 273) = 0(g) 큰 플라스크의 경우: 공기의 양 = 28 x 0 / (0 x 273) = 0(g) 가 되며, 이 경우엔 작은 부피 플라스크 + 유리판의 질량은 67이 되며, 큰 부피 플라스크 + 유 리판의 질량은 126이 된다. 드라이아이스로 발생한 이산화탄소의 양을 재려면 전체 질량에서 부피 플라스크와 유리판의 질량을 빼면 되므로

◎ 과제

1.물과 이산화탄소의 상평형도 차이를 서술하고, 이 차이가 나타나는 이유에 대해 서술

- 물은 상평형도에서 고체와 액체 사이를 나누는 직선의 기울기가 음수이나, 이산화탄소는상평

형도에서 고체와 액체 사이를 나누는 직선의 기울기가 양수로 나타난다. 이는 이산화탄소는 액체에 압

력을 가하면 고체가 되나, 반대로 물에서는 고체에 압력을 가하면 액체가 됨을 의미한다. 이것의 이유

는 물은 액체가 고체보다 밀도가 크나, 이산화탄소는 고체가 액체보다 밀도가 크기 때문이다. 압력이

높아지면 자연스레 밀도가 커지는 쪽으로 상변화하기 때문에 위와 같은 결과가 나온다.

2.상평형도의 오른쪽 위의 critical point밖으로 나가면 어떤일이 벌어지는지 말해보고, 이를 이용하 는 예에 대해 조사하기

• 온도와 압력이 둘 다 critical point, 즉 임계점을 넘어가게 된 물질을 초임계 유체(supercritical fluid)라 부른다. 이 유체는 주로 여러 화학 반응들의 용매로 사용되고 있는데, 이 유체 안에선 분자 이 동속도가 크므로 추출 속도를 증가시킬 수 있는 등의 장점이 있다. 실제로 커피 열매에서 이산화탄소 초임계 유체를 용매로 이용하여 카페인을 제거하여 디카페인 커피로 만나볼 수 있게 하는 등 여러모로 사용되고 있다.

3번 실험에서 조임새를 풀어주면 압력이 낮아져서 기체가 되야하는데, 액체가 고체로 변하는 이유 에 대해 생각해보고 서술하기

• 조임새를 풀면 압력이 낮아지면서 이산화탄소가 급격히 기화되며, 이는 해당 계 내부의 열을 전부 빼앗아간다. 이로 인해 열을 뺏긴 튜브 안의 이산화탄소는 급격히 온도가 낮아지며 고체가 되는 것이다.

◎ Reference

• 서울대학교 일반화학실험 홈페이지

• 화학의 원리 제 7 판 (P, L. Jones, L. Laverman 지음)

• 일반화학실험 (김희준 지음)

기체 분자량 측정 실험은 여태껏 라이터 기체(주로 뷰테인), 산소캔(주로 산소)을 이용해서 수상치환법을 이용해 기체를 모으는 방법을 사용해왔다.

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그래서 아이들과 함께 이 실험을 이미 했는데, 교과서엔 드라이아이스를 이용해서 이산화 탄소 기체의 분자량을 측정하는 실험이 실려있다.

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그래서 물을 사용하지 않고, 다른 기체와 섞일 염려가 거의 없는 이 실험을 해보기로 했다.

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아이들로선 기체의 분자량 측정만 연달아 두 번이나 실험을 하게된 셈이다.

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실험 마치고나서 물어보았더니 이 실험이 간단하고 더 쉽다고 하더라는, ^^.

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실험 예습은 교과서에 나와있는 내용을 잘 읽어오라는 것으로 대신했는데, 굳이 영상 없이도 충분히 예습이 가능해서 아주 편하게 실험할 수 있었다.

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문서를 보고 해독을 해서 실행할 수 있는 역량은 중요한 역량임에 틀림없으니 이 수행평가를 통해 아이들은 핵심역량이 조금이라도 증진되었을 것으로 믿는다, ㅎㅎ.

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실험 과정은 정말 단순하다.

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일단 온도를 재서 기록하고 ▼

빈 페트병(빨대 잠수부 용 500mL 페트병이 있어서 그걸 사용)의 뚜껑을 막고 질량을 잰다. ▼

드라이 아이스 조각을 막자사발에 곱게 간다. ▼

약숟가락으로 한 숟가락을 담아 페트병에 넣는다. ▼

이제 저 드라이 아이스가 모두 승화해서 페트병 안이 이산화 탄소로 가득찰 때까지 기다린다. 한스푼을 넣었더니 실온 20도 근방에서 대략 10분 정도면 충분히 날아간다. 드라이 아이스가 잘 보이도록 진한 섹 바탕에 올려두는 것을 추천! 아, 주의 사항: 이때 반드시 뚜껑을 열어두어야 한다. 페트병 안의 기압이 대기압과 같아야 하기 때문. 이산화 탄소는 밀도가 커서 아래부터 채워지므로 10분 이상 기다리면 충분히 병 안은 이산화 탄소로 채워졌다고 가정해도 된다. ▼

드라이 아이스가 모두 사라지면 다시 뚜껑을 닫고 페트병의 질량을 잰다. 이때 충분한 시간을 두고 페트병 내부의 이산화 탄소가 외부 공기와 열평형에 도달헤 온도가 같아질 때까지 기다렸다가 실험을 진행해야 한다. 드라이 아이스가 승화하면서 승화열을 흡수하기 때문에 페트병 내부의 이산화 탄소 온도는 실온보다 낮을 것이기 때문이다. ▼

이제 페트병의 부피를 구할 차례이다. 페트병에 물을 가득 담고 ▼

눈금실린더에 물을 부어 부피를 측정하면 된다. 500mL 페트병은 대개 525~530mL 정도 나온다. ▼

실린더 눈금을 읽을 때는 수면과 눈 높이를 맞춰서 ▼

실험실 내부의 압력은 기압계 앱을 사용했다. 이 날 실험실 내부의 압력은 758mmHg(760mmHg이 1기압이니 계산하면 대략 0.997기압쯤 됨). ▼

이제 수집한 데이터로부터 이산화 탄소의 분자량을 측정한다.

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예비 실험해서 얻은 나의 데이터는 다음과 같다.

1. 공기의 평균 분자량이 28.8이라 가정하고 병의 부피에 해당하는 공기의 질량을 계산하여 빈 페트병의 질량을 구하기

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빈 페트병의 질량은 실제로는 빈 게 아니라 빈 플라스틱 병의 질량 + 공기의 질량이므로, 공기의 질량을 계산해서 빼줘야 한다.

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w(공기의 질량) = MPV/RT = 28.8 × 0.997 × 0.525 / (0.082 × 293.5) ≒ 0.63 (g)

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빈 페트병의 질량 = 31.40 - 0.63 = 30.77(g)

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2. 이산화 탄소의 질량 구하기

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31.67 - 30.77 = 0.9(g)

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3. 이산화 탄소의 분자량 구하기

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M = wRT / PV = 0.9 × 0.082 × 293.5 / (0.997 × 0.525) ≒ 41.24

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이산화 탄소의 분자량은 44인데 실험을 통해 얻은 값은 41.24였다.

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이 정도면 잘 나온거지뭐, ㅎㅎ

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ps: 이 실험 하려고 드라이 아이스를 박스채 구입하는 바람에 남은 드라이 아이스는 뜨거운 물에 넣어 구름을 만들었다. ^^ ▼