개념 화학실험_이상기체상태 방정식의 기체 상수 결정

[주수]

이상기체상태방정식

[ ideal gas equation , 理想氣體狀態方程式 ]        

이상기체의 상태를 나타내는 양들, 즉 압력 P, 부피 V, 온도 T 간의 상관관계를 기술하는 방정식.

1) 관찰

가. 산소기체를 이용한 기체 상수 결정

시료(염소산칼륨과 반응촉매인 이산화망가니즈)를 넣은 시험관을 고무호스와 연결된 실리콘 마개로 발생 기체가 새어나가지 않도록 막고 스탠드에 핀치로 고정시킨다. 물이 가득 찬 눈금실린더를 물이 담긴 수조에 거꾸로 뒤집어 놓은 뒤,(공기가 들어가지 않아야 한다.-생성된 기체와 혼합되어 오차가 발생하기 때문에) 시험관과 연결된 호스를 눈금실린더의 입구 쪽에 대고 수상치환으로 준비된 눈금실린더가 측정할 수 있는 측정량을 넘지 않도록(산소가 갑자기 발생하지 않도록) 알코올 램프의 세기를 조정하면서 시험관을 가열하면 산소가 기포형태로 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 이렇게 생성된 산소기체는 눈금실린더에 모이게 되고 눈금실린더를 통해 생성된 산소의 부피를 알아낼 수 있다.

나. 이산화탄소 기체를 이용한 기체 상수 결정

가. 의 실험과 동일하게 진행한다.(가. 실험과 달리 나. 실험은 반응촉매를 필요로 하지 않는다.)

시료가 든 시험관을 가열하게 되면 이산화탄소 기체가 발생하게 되고 눈금실린더에 기포의 형태로 모이게 되는 것을 관찰할 수 있다.

2) 측정 결과

가. 산소 기체를 이용한 기체 상수 결정

내용	측정 및 계산값
가열하기 전 시료를 넣은 시험관의 질량	31.9g
가열한 후 시료가 든 시험관의 질량	31.8g
발생한 산소의 질량	0.1g
발생한 산소의 몰수	0.003125mol
발생한 기체의 부피	124mL
대기압	760mmHg
물의 온도	24.5℃
물의 온도에서의 수증기압	23.0665mmHg
산소 기체만의 압력	736.9335mmHg

PV=nRT

R(기체 상수)=PV/nT

=0.124*736.933/760 =0.134L·atm·K−1·mol−1

0.003*(24.5+273.15)

오차: 0.134-0.082=0.052

오차%: 0.052/0.082*100= 63.414%

나. 이산화탄소 기체를 이용한 기체 상수 결정

내용	측정 및 계산값
가열하기 전 시료를 넣은 시험관의 질량	32.6g
가열한 후 시료가 든 시험관의 질량	32.3g
발생한 산소의 질량	0.3g
발생한 산소의 몰수	0.006mol
발생한 기체의 부피	150mL
대기압	760mmHg
물의 온도	24.1℃
물의 온도에서의 수증기압	22.377mmHg
산소 기체만의 압력	737.623mmHg

PV=nRT

R(기체 상수 구하기)

R=PV/nT

=0.150*737.623/760 =0.0816L·atm·K−1·mol−1

0.006*(24.1+273.15)

오차: l0.0816-0.082l=0.0004

오차%: 0.0004/0.082*100= 0.48%

6. 고찰 (Discussion & Conclusion)

1. 이 실험에서는 물질을 열분해 시켜 기체를 발생시켰다. 이러한 방법으로 기체의 질량을 측정하는 원리를 설명해보자.

시료를 넣은 시험관을 가열하게 되면 그 시료가 열분해 되어 (위 실험에서는) 산소 혹은 이산화탄소 기체를 발생시키게 된다. 생성된 기체는 수상치환으로 설치된 플라스크로 이동하게 되므로 가열한 후 시료가 든 시험관의 질량을 구하면 가열 전 시료가 든 시험관의 질량에서 생성된 기체(플라스크로 이동한 기체)의 질량만큼 줄어들게 된다.

따라서 가열하기 전 시료가 든 시험관의 질량에서 가열한 후 시료가 든 시험관의 질량의 차를 계산하게 되면 발생한 기체의 질량을 측정할 수 있다.

2. 기체의 부피를 측정하기 전에 시험관이 식을 때까지 기다리는 이유를 설명해보자.

시험관이 충분히 식기 전에 부피를 측정한다면 온도를 나타내는 T 값이 높아지고 부피가 더 크게 측정되기 때문에 정확한 기체 상수 값을 구하기 어렵다. 따라서 시험관이 충분히 식을 때까지 기다리고 난 후 기체의 부피를 측정해야 한다.

3. 기체의 부피를 측정할 때 눈금실린더와 수조의 수면 높이를 같게 해야 하는 이유를 설명해보자.

눈금실린더 속 발생 기체의 압력과 대기압을 같게 맞춰주기 위해서이다.

눈금실린더와 수조의 수면 높이를 같게 한다면

발생 기체의 부분압력 + 수증기의 부분압력(물의 증기압력) = 대기압

발생 기체의 부분압력 = 대기압 - 수증기의 부분압력 으로 계산해주면 되지만 수면의 높이를 맞춰주지 않는다면 대기압과 눈금 실린더 속 기체의 압력이 같지 않기 때문에 두개의 높이가 다르면 차이만큼의 압력을 포함시켜서 계산해야 한다.

4. 이 실험에서 사용하는 기체에 따라서 수조에 넣는 액체를 적절하게 선택해야 한다. 기체와 액체의 어떤 성질을 고려하여 액체를 선택해야 하는지 설명해보자.

실험을 진행할 때 가열을 통해 산소 혹은 이산화탄소 기체를 발생시켜 액체(물)을 밀어 나온 만큼의 액체의 양을 기체의 양으로 결정하여 계산한다. 그러기 위해서는 산소기체가 액체(물)에 녹아서는 안 된다. 만약, 기체가 액체에 흡수되는 양이 많게 되고 온도에 따라 기체가 액체에 흡수되는 양이 다르다면, 실험의 오차도 커지게 될 것이다.

따라서, 압력과 온도가 같은 기체를 같은 온도, 같은 압력에서 섞을 때에 혼합 기체의 부피는 각 성분 기체의 부피의 합과 같고, 그 압력은 각 성분 기체가 가진 압력의 합과 같다는 돌턴의 부분압력의 법칙에 기초하여 기체와 액체를 선택할 때에는 액체에 대한 기체의 용해도가 작은 기체와 액체 혹은 온도에 따른 용해도의 영향이 적은 기체와 액체를 선택하는 것이 가장 적절하다.

5. 염소산칼륨과 탄산수소나트륨을 사용한 실험에서 얻은 기체 상수 값이 다른 이유를 설명해보자.

염소산칼륨은 열분해 되었을 때 산소기체를 발생시키고 탄산수소나트륨은 이산화탄소 기체를 발생시킨다. 이상적으로는 기체의 종류에 상관없이 기체 상수의 값이 일정하지만 0도, 1기압을 가정한 이상기체의 기체상수와 수많은 조건들이 변하는 실제 기체의 기체 상수를 다를 수밖에 없다. 또한, 분자간의 상호작용이나, 분자 자체의 부피까지 고려하지 못하였고 기체의 종류도 달랐기 때문에 두 실험에서 얻은 기체 상수 값은 일치하지 않았으며 실험 중 일어날 수 있는 각종 오차도 측정값이 일치하지 않은 원인이 되었다.

6. 이 실험에서 수상치환으로 모은 기체의 부분 압력은 대기압과 수증기압의 차이로 계산하였다. 이런 계산이 가능한 이유를 설명해보자.

실험을 진행할 때, 열분해를 통해 생성된 산소 혹은 이산화탄소 기체는 수상치환으로 플라스크 윗부분에 들어가게 된다. 기체 상수 값을 구하기 위해서는 기체의 부분 압력을 구해야 하는데, 시간이 지나면서 수조 속 물이 증발하며 물의 증기압으로 수증기에 의한 압력이 생기게 된다. 이렇게 되면 정확한 측정이 이루어지지 않기 때문에 증발된 수증기 양만큼의 수증기압을 대기압에서 빼주어야 한다. 또한 이러한 계산은 압력과 온도가 같은 기체를 같은 온도, 같은 압력에서 섞을 때에 혼합 기체의 부피는 각 성분 기체의 부피의 합과 같고, 그 압력은 각 성분 기체가 가진 압력의 합과 같다는 돌턴의 부분압력의 법칙에 의해 가능하다.

7. 실험으로 구한 R값이 이론값과 차이가 나는 이유를 설명해보자.

이론값을 보면 기체 분자 간 인력이 없는 상태로 측정되었던 반면에 실제 값은 기체 분자간의 인력이 존재하기 때문에 차이가 나게 된다. 그 외에 실험 중에 생길 수 있는 오차를 고려해 보자면, 눈금실린더의 눈금을 읽는 눈높이에 따라 부피의 차이가 생길 수 있고 시료의 질량을 측정하는 전자 저울에서 손떨림, 시료 받침 종이, 먼지 등으로 인해서 측정 오차가 날 수 있다. 그리고 염소산 칼륨 혹은 탄산수소나트륨의 순도가 100%가 아니기 때문에 가열 중 수분 등이 사라지면서 실제 산소나 이산화탄소가 아닌 부분의 무게가 줄어들 수 있다. 또한, 물의 높이와 발생된 기체의 부피 측정 시 물의 높이를 정확하게 맞추기 어려우므로 실제 값과 오차가 발생할 수 있다.

8. 염소산칼륨으로부터 산소기체를 얻는 실험에서 이산화망가니즈(촉매)가 필요한 이유는 무엇일까?

촉매는 반응 과정에서 소모되거나 변화되지 않으면서 화학반응 속도를 빠르게 혹은 느리게 변화시켜주는 물질을 의미한다. 즉, 촉매의 역할은 반응이 일어나는 데에 필요한 활성화 에너지를 변화시켜 반응속도를 변화시키는 것이 촉매의 역할이다. 촉매 없이 염소산칼륨을 가열하게 되면 반응속도가 느리므로 활성화 에너지를 낮춰 반응속도를 증가시키는 역할을 하는 정촉매인 이산화망가니즈를 첨가함으로써 반응속도를 빠르게 만들어 주었다.

9. 시험관을 실리콘마개로 막을 때 파라필름을 이용하여 실리콘 마개와 호스를 감싸는 이유는 무엇일까?

위 실험의 정확도를 높이기 위해서는 열분해를 통해 생성된 기체를 모두 눈금 실린더로 옮겨야 한다. 하지만 만약 눈금실린더로 이동하는 과정에서 시험관과 실리콘 마개 사이의 틈 혹은 고무호스와의 틈으로 기체가 새어나가게 되면 발생한 기체의 부피가 부정확하므로 실험의 오차가 커지게 된다. 따라서 파라필름을 이용하여 실리콘 마개에 꽂혀 있는 관을 감싸 기체의 출입을 막음으로써 오차의 범위를 최소화한다.

7. 참고 문헌(Reference)

1)이상기체방정식의 기체 상수[ 氣體常數 , gas constant , Gaskonstante ]의 정의-네이버 지식백과_화학대사전

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2279430&cid=42419&categoryId=42419

2)기체 상수의 결정 실험-네이버 블로그

3)일반화학실험 (동국대학교 화학과 화학실험실편전, 녹문당)

4)열분해[ thermal decomposition , 熱分解 ] 의 정의

-네이버 지식백과_두산백과

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1126814&cid=40942&categoryId=32404

5)기체 상수 값은 항상 일정할까?

http://cafe.naver.com/amyscienceroom/66513

6)돌턴의 부분압력 법칙[ Dalton's law of partial pressure , ─部分壓力─法則 ]

-네이버 지식백과_기체 역학

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1083837&cid=40942&categoryId=32232

7)이상기체상태방정식[ ideal gas equation , 理想氣體狀態方程式 ]

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1185555&cid=40942&categoryId=32252