[화학및 실험1] 6주차 예비보고서, 주머니 난로의 열량 측정

[실험 제목]

주머니 난로의 열량 측정

 

[실험 목적]
화학반응에서 발산되거나 흡수되는 반응열의 측정을 통하여 비열과 열용량의 개념을 이해하고 그 응용성을 생각해본다.

 

[실험 이론]

다음 실험 이론을 조사하시오.

1. 비열과 열용량에 대해 조사하시오.

1-1. 비열 (이걸 안채워 넣어서 감점당함..)

비열(specific heat, s)은 단위 질량의 물질의 온도를 1 ℃ (1 K) 높이는데 필요한 열의 양이며, cal/g•℃, J/g ℃, J/mol ℃, J/mol K 등의 단위로 나타내는 비열은 물질마다 고유한 값을 갖는 세기 성질이다. 간혹 '열용량'(heat capacity)과 구별하지 않고 사용하기도 한다.

물질이 흡수하거나 방출하는 열에너지 q는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

q = ms△T

여기서 s는 비열, m은 질량, △T는 온도 변화이다.

전통적으로 열에너지의 단위로 사용되었던 칼로리(calorie)는 물 1 g의 온도를 14.5 ℃에서 15.5℃로 높이는 데 필요한 열에너지의 양으로 정의되었으며, 이를 간단히 열량이라고 부른다. 1.000 cal는 4.184 J이므로 물의 비열은 다음과 같이 쓸 수 있다.

s = 1.000 cal / g ℃ = 4.184 J/ g ℃

출처 [네이버 지식백과] 비열 [specific heat] (화학백과)

1-2. 열용량

열용량이란 어떤 계의 온도 상승(또는 하강)에 대한 그 계가 흡수한 (또는 방출한) 에너지 또는 엔탈피의 비로써1), 어떤 물질의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량을 의미한다. 단위 질량의 물질을 온도 1℃ 높이는데 필요한 열량은 비열용량(specific heat capacity) 또는 간단히 비열(specific heat)이라 한다.

어떤 물질에 가해진 열의 양이 Q 이고 이에 따른 온도 변화를 △T라고 할 때 이 물질의 열용량 C는 다음과 같다.

C = Q/△T

열용량과 온도 변화는 반비례 관계가 있으므로, 물질에 가해진 열량이 동일할 때, 열용량이 큰 물질의 온도 변화는 적고 열용량이 작은 물질의 온도 변화는 크다.

또한 단위 질량에 대한 열용량인 비열용량 c와 열용량과의 관계는 질량m 의 곱으로 나타난다. 즉,

C = cm 이다.

이는 같은 물질이라도 질량이 클 경우 열용량이 큼을 의미한다. 한 컵의 물을 끓이는 데 필요한 열량과 한 냄비의 물을 끓이는 데 필요한 열량은 차이가 있는데 그 이유는 끓이는 데 들어간 열량이 물의 질량에 비례하기 때문이다. 우리나라 동해와 서해에서 해수의 연중 온도 변화는 상대적으로 수심이 얕은 서해가 수심이 깊은 동해에 비해 훨씬 크다. 이는 주변 해류의 영향 등 다양한 요인이 있으나 바닷물 질량의 차이에 따른 열용량의 차이에도 기인한다.

 

출처 [네이버 지식백과] 열용량 [heat capacity] (기상학백과)

[일반화학 14판 p.196]

 

2. 화학반응의 엔탈피 (발열반응, 흡열반응)에 대해 조사하시오.

2-1. 엔탈피란?

엔탈피(enthalpy)는 열역학계의 성질로, 계의 내부 에너지에 압력 곱하기 부피를 더한 값으로 정의된다. 대기압이나 수압과 같이 일정한 압력에 둘러싸인 계를 다룰 때 유용하게 사용되는 상태함수이다. 기호는 대개 라틴 대문자 H이다. 국제단위계상에서 줄이, 영국 열량 단위에서 칼로리가 엔탈피를 나타내기 위한 단위로 사용된다.

열역학 제 1법칙에 의하면 계의 내부에너지 변화량을 구하기 위해서는 가한 열량과 해준 일을 모두 알고 있어야 한다. 등압과정에서는 계가 받은 열량이 계의 엔탈피 변화량과 같게 된다. 따라서 일의 양을 매번 계산하기 번거롭다는 등의 실용적인 이유로 등압과정에서 측정된 엔탈피 변화량(델타H)이 주로 사용된다. 화학 물질에 대해 엔탈피라는 용어를 사용할 때에는 대부분 표준상태, 즉 1 바 (100 kPa) 부근의 압력과 25도씨 (298 K) 부근의 온도를 상정한다. 엔탈피 변화량은 흡열 과정에서 양의 값을, 발열 과정에서는 음의 값을 가진다.

2-2. 정의

엔탈피는 다음 식으로 정의 된다.
H = U + pV
여기서 H는 계의 엔탈피를, U는 계의 내부 에너지를, p는 계의 압력을, V는 계의 부피를 의미한다.

반응 엔탈피
계의 엔탈피는 직접 측정할 수 없으며, 계의 엔탈피 변화로 대신 측정된다.엔탈피 변화는 다음 방정식으로 정의된다.

반응 엔탈피(델타H) = 엔탈피 변화량 =E출입량
= E 차이값 between 반응물 & 생성물
= 반응열
델타H = Hf - Hi
ΔH는 "엔탈피 변화량"이다. Hf는 계의 최종 엔탈피이다. Hi는 계의 초기 엔탈피이다.
델타H 부호의 의미
(+) 부호 : 흡열 반응
(-) 부호 : 발열 반응
ΔH 크기의 의미 - E 출입량 = E 차이 between 반응물 & 생성물
역반응 ΔH = -정반응 ΔH
엔탈피는 온도와 압력에 따라 달라지므로 온도와 압력을 표시한다. 온도와 압력이 표시되어 있지 않으면 25도씨, 1기압 상태이다.

2-3. 엔탈피의 종류

연소열(연소 엔탈피)
물질 1몰이 완전 연소하여 가장 안정한 생성물이 될 때 방출하는 열량
보통 연소 엔탈피(ΔH)는 음수이다.

생성열(생성 엔탈피)
물질 1몰이 가장 안정한 원소로부터 생성될 때 방출하거나 흡수하는 열량
생성열 = 생성반응식의 E 차이
홑원소 물질 생성열 =0 -> 예외 : O3, 다이아몬드(C)의 생성열 =! 0
생성열 = 연소열인 반응 -> C(흑연) + O2-> CO2
ΔH=C(흑연) 연소열 = CO2 생성열
-> H2 +1/2 O2 ->H2O ΔH=H2 연소열 = H2O 생성열
25도씨 1기압에서의 생성열 = 표준 생성열 = 생성열
표준 형성의 열은 표를 참고하길 바람

분해열(분해 엔탈피)
물질 1몰이 가장 안정한 원소로 분해될 때 방출하거나 흡수하는 열량
분해열 = - 생성열

중화열(중화 엔탈피)
산과 염기가 중화되어 H2O 1몰이 생성될 때 방출하는 열량
-산과 염기의 종류에 관계없이 일정 (ΔH=-56.2 kJ/mol)

용해열(용해 엔탈피)
물질 1몰이 다량의 물에 용해될 때 방출하거나 흡수하는 열량

 

출처: 위키백과 검색어 '엔탈피'

3. 에너지의 단위(J, cal)에 대해 조사하시오.

3-1. J(줄)

줄(joule)은 에너지 또는 일의 국제 단위다. 기호는 라틴 대문자 J로 표기한다.
1 줄은 1 뉴턴의 힘으로 물체를 1 미터 이동하였을 때 한 일이나 이에 필요한 에너지다. 이 양은 기호 N·m을 사용하여 뉴턴 미터로도 측정한다.
돌림힘 또한 일과 같은 단위를 가지지만 양은 같지 않다. 기본적인 단위에서:
1J = 1 N*m
1J = 1 kg m^2/s^2 로 사용된다.
전기 에너지에서의 1 J는, 1 볼트 전압,1 A 전류가 1초 동안 흘렀을 때의 에너지이다. 1줄을 에너지의 CGS 단위인 에르그로 환산하면 1,000만 에르그에 해당한다.

출처: 위키백과 검색어 ' 줄(단위)'

3-2. cal(칼로리)

칼로리(calorie)는 에너지의 단위로, 온도가 다른 물체 사이에 전해지는 에너지의 양이다. 즉 물질의 온도를 높이는 데 소요되는 열의 양이다.
라틴어의 '"열"을 의미하는 단어인 "calori"에서 유래하였다. 칼로리 단위의 기호는 mcal(1/1000cal), cal, kcal(1000cal)을 쓴다. 영양학에서는 주로 Cal을 사용한다. 1948년의 국제도량형총회에서 칼로리는 가능한 한 사용하지 말고 사용할 경우에는 줄(J)을 병기할 것을 결의했다. 에너지, 열량의 국제 단위계(SI)의 표준 단위는 줄이며, 칼로리는 병용 단위로서도 채택되어 있지 않다.

일반적으로 알려진 정의는 "물 1그램을 1도씨 올리는 데 필요한 열량"이나, 물의 비열이 온도에 따라 달라지기 때문에 정확히는 "1기압 하에서 14.5도씨의 물 1그램을 15.5도씨까지 올리는 데 필요한 열량"이다. 1칼로리(cal)는 4.184J(줄)이다. 1기압 하에서 14.5도씨의 물 1그램을 15.5도씨까지 올리는 데 필요한 열량"은 약 4.1855J(줄) 로 표기되며 화학적 칼로리가 1 칼로리 당 4.186J(줄) 로 표기된다

출처: 위키백과 검색어 '칼로리'

4. 용해도와 포화, 과포화 상태에 대해서 조사하시오.

용액이 용해되지 않은 용질과 평형 상태에 있을 떄, 그 용액은 포화(saturated)용액이다. 포화 용액에 용질을 더 첨가해도 용질은 녹지 않을 것이다. 주어진 양의 용매로 포화 용액을 만들 때 필요한 용질의 양을 그 용질의 용해도(solubility)라고 한다.

즉, 주어진 용매에 주어진 용질의 용해도는 특정 온도에서 주어진 양의 용매에 녹을 수 있는 용질의 최대량을 말하며, 초과로 가해진 용질은 용액 내에 남게 된다. 예를 들면 0도씨에서 물에 대한 NaCl의 용해도는 물 100ml당 35.7g이다. 이것은 그 온도에서 안정한 평형 상태의 용액을 만들 때 물에 녹을 수 있는 최대 NaCl의 양이다.

포화 용액을 만드는 데 필요한 용질의 양보다 적은 양의 용질을 용해시키면, 그 용액은 불포화(unsaturated) 용액이다. 이와 같이 0도씨 물 100mL에 NaCl 10.0g을 포함하는 용액은 더 많은 용질을 용해 시킬 수 있는 잠재력이 있기 때문에 불포화 용액이라고 한다.

과포화가 되는 과정

적절한 조건에서 포화 용액을 만드는 데 필요한 용질의 양보다 더 많은 양의 용질을 포함하는 용액을 만들 수 있다. 그러한 용액을 과포화(supersaturated)용액이라고 한다. 예를 들면 높은 온도에서 아세트산 소듐의 포화용액을 만든 다음, 서서히 온도를 낮추면, 온도가 내려감에 따라 용해도가 감소함에도 불구하고, 모든 용질이 용해된 상태로 남게 된다. 과포화 용액에 있는 용질은 평형 농도보다 높은 농도로 존재하므로 과포화 용액은 불안정하다. 그러나 남아 있는 용질 분자들이 결정화하려면 결정 생성에 알맞게 적당히 배열되어야 한다. 작은 용질 결정(결정씨)을 넣으면, 과량 용질의 결정화를 위한 템플릿을 제공하게 되어 결정이 만들어지고, 과량의 고체 용질이 함꼐 존재하는 포화용액이 된다.

출처: 브라운 일반화학 14판 13.2장 포화 용액과 용해도 p.572~573

 

5. 위 시약들의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 서술하시오. (몰질량, 녹는점, 끓는점 포함)

[기구와 시약]

시약
주머니 난로(Sodium acetate), 에탄올

기구
원형 스트로폼 단열재, 온도계, 메스실린더, 초시계

5-1. 주머니 난로(Sodium acetate)

아세트산 나트륨(Sodium acetate) 또는 초산 나트륨은 아세트산의 나트륨염으로, 분자식은 CH3COONa이다. 무색의 가루 또는 덩어리이며 공기중에서 쉽게 풍화된다. 밀도는 1.528g/cm3이고, 끓는점은 881.4 도씨이다. 인체에 크게 유해한 점은 없다. 디하이드로아세트산나트륨은 식품첨가물로 사용된다. 촉감은 염화나트륨(소금)과 비슷하다.
과포화 상태의 아세트산 나트륨 수용액에 압력을 가해주면 순식간에 고체로 변해버리는데, 이때 많은 양의 열을 방출하기 때문에 주로 똑딱이 손난로를 만드는 데 사용된다.
CAS 번호 : anhydrous 127-09-03
물질성상 :고체, 결정성 가루
분자량 : 82.04 끓는점 :881.4 도씨 녹는점 :324도씨 인화점 : 250도씨

주요용도
아세트화에서 보조제; 의약품 제조; 비누; 글루코스의 정제; 육류 보존; 전기도금; 제혁; 탈수제; 완충액; 직물 염색; 약물,약물(수의용); 신남산 및 관련 화합물의 합성; 폴리에스테르 수지의 제조에서 촉매

피해야 할 조건 및 물질
열, 스파크, 화염 등 점화원
피해야 할 물질
가연성 물질, 환원성 물질
누출 및 폭발 화재 사고시 대처방법
모든 점화원을 제거하시오 엎질러진 것을 즉시 닦아내고, 보호구 항의 예방조치를 따르시오.
위험하지 않다면 누출을 멈추시오적절한 보호의를 착용하지 않고 파손된 용기나 누출물에 손대지 마시오 플라스틱 시트로 덮어 확산을 막으시오 피해야할 물질 및 조건에 유의하시오

출처: 위키백과 검색어 'Sodium acetate'
MSDS검색 '아세트산 나트륨, 무수'

5-2. 에탄올

에탄올(영어: ethanol)은 화학식이 C2H6O인 유기 화합물로 알코올의 한 종류이다. 에탄올은 또한 에틸 알코올(영어: ethyl alcohol), 그레인 알코올(grain alcohol), 주정(spirit), 드링킹 알코올(drinking alcohol), 단순하게 알코올(alcohol)이라고 부르기도 한다. 에탄올의 시성식은CH3-CH2-OH 또는 C2H5OH (하이드록실기에 연결된 에틸기)로도 쓸 수 있으며, 종종 EtOH로 약칭되기도 한다. 에탄올은 약간 특유한 냄새가 나는 휘발성, 인화성, 무색 액체이다. 에탄올은 향정신성 약물 및 기분전환용 약물이며 술(알코올 음료)에 들어 있는 활성 성분이다.
에탄올은 당을 효모로 발효시켜 자연적으로 생산하거나 에틸렌 수화와 같은 석유화학 공정을 통해 생산한다. 에탄올은 살균제 및 소독제와 같은 의료용으로도 사용된다. 에탄올은 화학 용매 및 유기 화합물의 합성에도 사용된다. 에탄올은 연료로도 사용된다.

CAS No. 64-17-5
물질성상 : 액체
분자량 :46.0684 끓는점 : 78.5 도씨 녹는점 :-114.1 도씨 인화점 : 13 도씨
피해야 할 조건
열·스파크·화염·고열로부터 멀리하시오 - 금연

누출 및 폭발 화재 사고시 대처방법
노출물을 만지거나 걸어다니지 마시오
들어갈 필요가 없거나 보호장비를 갖추지 않은 사람은 출입하지 마시오.
매우 미세한 입자는 화재나 폭발을 일으킬 수 있으므로 모든 점화원을 제거하시오.
모든 점화원을 제거하시오
물질 취급시 모든 장비를 반드시 접지하시오 엎질러진 것을 즉시 닦아내고, 보호구 항의 예 방조치를 따르시오.
오염 지역을 격리하시오.
위험하지 않다면 누출을 멈추시오
증기발생을 줄이기 위해 증기억제포말을 사용 할 수 있음
피해야할 물질 및 조건에 유의하시오

출처 위키백과 검색어 '에탄올'
MSDS 검색어 '에탄올'

6. 이때 아세트산 소듐이 석출되는 과정은 흡열반응인가 발열반응인가?

[실험방법]

실험과정은 다음과 같다.

1) 주머니 손난로의 무게를 잰다.

2) 원형 스티로폼 단열재에 증류수를 225mL넣는다.
3) 원형 스티로폼의 뚜껑에 온도계를 고정시키고 뚜껑을 닫는다.
    (안의 열이 빠져나가지 않도록 뚜껑을 누르고 있도록 한다)
4) 증류수의 온도변화가 없을 때까지 기다린 후 온도를 측정한다. (5분가량)
5) 뚜껑을 열고 발열을 시킨 주머니 난로를 재빠르게 넣는다.
    (이 때, 온도계가 직접적으로 주머니 난로에 닿지 않도록 한다)
6) 온도변화가 없을 때까지 30초~1분 간격으로 온도를 측정한다.
    (원형 스티로폼을 20초에 한번씩 흔들어서 열이 골고루 전달되도록 한다)
7) 에탄올 225mL로 같은 실험을 한다.

 

6-A.발열반응이다.

발열반응이다.
위에서도 4번 용해도에 관해 서술한 것 처럼 용매에 용해도 이상의 용질을 녹이게 되면, 용질은 더 이상 녹지 않은 채 석출되는데 이러한 용액을 포화용액이라 한다. 온도가 높아질수록 용해도가 커지는 용질의 경우, 포화용액상태에서 온도를 낮춰주면 용질이 석출된다. 하지만 어떠한 용매와 용질의 경우는 포화상태를 넘어서도 용질이 석출되지 않는다. 이를 과포화상태라 하고, 이 상태는 매우 불안정하기 때문에 약간의 자극이 주어지면 한꺼번에 결정이 석출된다.
아세트산소듐의 결정은 그 한 개의 결정 안에 여러 개의 물 분자를 포함하고 있다. 이렇게 결정이 가지고 있는 물 분자를 결정수라고 한다.
이런 물질들은 상온에서 물에 대한 용해도가 작아 고체로 존재한다. 하지만 가열하면 용해도가 커져서 결정수에 녹게 된다. 녹은 용액은 고체 상태에 비해 많은 열에너지를 포함한다.
따라서 액체상태의 아세트산소듐이 고체 상태로 굳으면 열에너지가 방출된다.
물 속에서 중탕 가열한 아세트산소듐 용액을 식히면 용해도가 작아져 결정이 석출돼야 하는데 그렇지 않다. 중탕 가열한 아세트산소듐 용액은 포화상태 이상으로 용질을 녹이고 있는 과포화 용액이다.

 

출처

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6556024&cid=62802&categoryId=62802 

비열

 

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5863336&cid=64656&categoryId=64656 

열용량

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%94%ED%83%88%ED%94%BC

엔탈피 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A4%84_(%EB%8B%A8%EC%9C%84) 

줄 (단위) - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%B9%BC%EB%A1%9C%EB%A6%AC

칼로리 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdssearchMsds.do

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색