이상기체 상태방정식을 이용한 분자량 측정 보고서/1조

[김현우]

1. 실험 준비

 둥근 플라스크, 알루미늄 호일, 에탄올, 비커, 온도계, 매스실린더, /가열기구, 전자저울 등/

2.실험 과정

 1). 씻어서 말린 100ml 둥근 플라스크에 알루미늄호일로 감싸 뚜껑을 만들고, 최대한 작은 구멍을 낸다. (본 조는 200ml를 사용)

 2). 뚜껑 작업이 끝난 빈 플라스크는 전자저울을 이용하여 무게를 측정한다. (물기 제거) <본 조 초기 무게 106.63g>

 3). 플라스크에 액체 시료 ( 에탄올 ) 3ml를 투입하고 호일 구멍을 막아 스탠드에 고정시킨다.

 4). 500ml 비커 절반 분량의 물을 채워 가열한다.

 5). 비커 속 물이 끓기 시작하면 플라스크를 바닥에 닿지 않을 정도로 담근다.

 6). 플라스크 속 액체가 기화하기 시작하면,  온도를 측정하여 기록한다. 

 7). 액체가 모두 기화하면 잠시 후 꺼내어 냉각시킨다. ( 가열된 기체의 액화 현상) (찬 물에 담그는 것이 효과적이라고 생각)

 8). 플라스크 겉면의 물기를 전면 제거한 후 플라스크의 무게를 재측정한다.

 9). 재측정 후 부피를 측정하기 위해 내부를 깨끗이 세척한다.

10). 세척 후 플라스크에 물을 채워 매스실린더에 옮겨 담아 측정하는 방법으로 부피를 측정한다. - 실험 종료

3. 실험 원리

 이상기체 방정식 - /계 속에서 구성입자의 부피가 0에 근접하며 그에 따라 입자간 상호작용이 거의 일어나지 않아 분자간 위치에너지가 중요하지 않으며 분자간 충돌이 완전탄성충돌인 기체로 정의되는/ 이상기체 간의 상태량을 상관관계를 기술하는 방정식.

 식=PV=nRT (P-pressure (압력) V- volume (부피) n-기체의 몰수 R-기체상수 T- temperature (온도) ) 

각 항은 샤를의 법칙, 보일의 법칙, 아보가드로 가설에서 유도 가능.

샤를의 법칙-기체의 부피는 온도에 비례. V = nT

보일의 법칙-기체의 부피는 압력에 반비례. V = 1/nP

아보가드로 가설-모든 기체는 동일한 조건(같은 압력, 같은 온도)에서 같은 갯수 ( 6.02*10^23개)를 같은 부피에 포함. V = n mol

<이 가설에 따라서 기체는 동일 조건하에서 특성과 관계없이 분자의 몰 수에 비례함.> ex) (1mol - 22.4L, 2mol - 44.8L 1기압 하)

기체상수-R 은 위 식에 P=1 atm V=22.4L n=6.02*10^23 T=273K ( 표준상태 1기압 섭씨 0도 중 상태 )를 대입시 산출 가능.

R= (1x22.4)/(273x1) = 0.0821 atm.L/mol.K (지식인 발췌) 

여기서 우리의 실험 목적은 분자량 검출. MOL수는 물질의 질량에서 분자량을 나눠주면 MOL수가 유도된다. 따라서

PV=nRT - PV=W/M*RT - M=W*RT/PV 로 변형 가능하다. ( W=질량 M=분자량)

이 식에 각 조의 데이터를 대입하면 된다.

이 실험에서 W는 가열 전,후의 플라스크의 무게 차이를, V는 플라스크의 부피를 대입하면 된다. 

4. 본 조 실험 결과.

 W-0.4g P-1기압 R-0.0821 atm.L/mol.K T-372 V-0.23L

따라서 계산기를 이용해보면 53.11***** 이 나왔다. 에탄올의 분자량 (C2H5OH 24+6+16) = 46.07 오차 +7.**

5. 실험 고찰 및 후기

 실험 조 가운데 오차가 가장 적어 만족스러웠다. 결과가 나온 후 오차의 발생원인을 생각해 봤는데 아무래도 완전한 물기제거의 어려움과 (당시 걸레를 사용), 플라스크 부피 측정과정에서 물을 흘린 것을 반영하지 않은 결과라고 생각한다. 또한 100ml들이 플라스크가 아니어서 실험결과와 멀어졌는지도 모를 일이다. 200ml라서 측정대상 외 기체가 다 빠져나가지 않았나 하고도 생각해 본다. 실험의 정밀도는 점점 높아질 것이라고 예상한다.

실험은 순조로웠으나 화학실험을 처음 듣는 조원들이 대체로 심심해보였다. 물이 끓기를 기다리는건 처음 하는 조원들이 지루해할거라고 생각은 했지만 아무것도 안하고 계속 비커만 보고 있는 조원이 있을 줄은 몰랐다. 딱히 할 말도 없어서 뒀는데, 가열하는 동안은 보통 지루한게 아니므로 다른 조 기웃거리면서 돌아다녀도 상관없다는 말을 전하고 싶다. 처음하는 조원들이 있는 실험이었지만 적은 오차로 대체로 성공했다고 생각되어 만족한다.

굳이 기여도를 적자면 열심히 조원들이 비커를 쳐다보고 있던 것으로 높은 기여도를 보였다고 생각합니다.