부탄의 분자량 측정

[홍광기]

부탄의 분자량 측정



큰 메스실린더에 물을 채운 후, 물이 든 수조에 거꾸로 세운다. 일회용 라이터에 연결된 작은 고무관을 연결하고, 고무관의 한쪽 끝을 거꾸로 선 메스실린더 안쪽에 넣는다. 라이타의 가스 방출버튼을 눌러서 부탄을 방출시켜, 메스실린더 속의 물을 부탄가스로 치환한다. 치환된 물의 부피(=기체 부피)와 그 기체의 질량을 측정하면, 부탄의 분자량을 계산할 수 있다.

주의
보안경을 착용하고 시연한다.

준비물
기구 : 수조, 드라이기, 저울, 500 mL 메스실린더.
재료 : 고무관, 일회용 가스 라이터.

과정
1. 일회용 가스 라이터에서 점화기구 부분(외부 금속, 라이터 돌, 회전부 및 스프링)을 제거한다.
2. 저울로 라이터의 질량을 측정하고 기록하자. 작은 실린더를 사용하여 소량의 물을 치환할려면 화학 저울을 사용하는 것이 좋고, 500 mL 실린더를 사용할려면 triple-beam balance를 사용하는 것이 좋다.
3. 라이터의 가스 노즐부에 좁은 고무관을 끼운다.
4. 물로서 메스실린더를 가득 채우고, 물이 반쯤 채워진 수조 속에 꺼꾸로 세운다. 이때, 메스실린더 속에 기포가 들어가지 않도록 한다.
5. 고무관의 끝을 메스실린더 속 안쪽 아래 부분에 넣고, 점화부를 제거한 가스라이터의 방출 버튼을 누른다.
6. 가능한 한, 많은 양의 물을 치환할 수 있도록 충분한 양의 기체를 포집한 후, 메스실린더 안,밖의 수면의 높이가 같도록 메스실린더 높이를 조절한다.
7. 거꾸로 선 메스실린더 눈금에서 직접 기체 부피를 읽는다.
8. 라이터에서 고무관을 제거하고, 라이터 무게를 다시 측정한다.
9. 얻은 data로부터 부탄의 분자량을 계산한다. [아래 수증기압 표를 참고하여, 실험 온도에서의 수증기압을 전압(대기압)에서 감하고, 치환된 부탄기체 분압을 얻는다. 그리고, 온도와 압력을 기록한다.]


계산
1. 여기서, n은 몰수로, 기체 몰 질량(분자량)이 M g이라면, 이 기체 w g은
n = w/M 이다. 따라서, 이다.
2. 몰질량(분자량) 이 된다. R은 기체상수로서 62,400 ml·torr / mol·K 또는 R = 0.0821 atm·L / mol·K 이다. T는 절대온도( 273 K = 0 ℃ ), P는 물의 수증기압을 보정한 압력(torr)이다. V는 기체의 부피를 나타낸다.

물음
1. 왜 부탄은 라이터 속에서는 액체인데, 메스실린더 속에 포집될 때는 기체인가?
2. Triple-beam balance만 있다면, 왜 기체를 많이 포집하여야 하는가?
3. 압력을 계산할 때 대기압에서 수증기압을 빼야 하는 이유는 무엇인가?
4. 물의 수증기압은 온도에 따라서 어떻게 변하는가?

도움말
1. 부탄의 분자량은 58 이다. 실험값과 비교하여 실험 오차의 원인을 검토하여 보자.
2. 실린더와 고무관의 접속부에서 기체가 누출된다면, 결과는 매우 좋지 않다. 이런 경우는 물이든 실린더 바로 아래의 물속에 라이터를 직접 넣고 가스를 방출시키는 방법도 시도해 보자.
3. 최종적인 질량을 측정하기 전에 라이터를 휴지를 이용하여 건조시킨다.

참고문헌
L.R. Summerlin, and J.L. Ealy, Jr. (1988) Chemical Demonstrations, Vol. 1, p. 19, American Chemical Society.










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