[화학및 실험1] 10주차 결과보고서, 기체 상수의 결정

드디어 1학기 마지막 보고서~~~!!!!

한학기동안 수고했다~~!!

실험 기말만 잘보자!

1. 실험 목적

반응에서 발생한 산소와 이산화탄소의 부피와 소모된 시료의 양을 이용하여 기체 상수(R) 값을 결정한다.

2. 실험 이론

기체의 양과 온도, 압력, 부피 사이의 관계는 기체 상태방정식으로 주어진다. 대부분의 기체는 온도가 충분히 높고 압력이 충분히 낮은 상태에서 이상기체 상태방정식을 잘 만족한다.

이 실험에서는 산소 및 이산화탄소 기체의 압력, 부피, 몰수, 온도를 측정하여 기체상수를 결정한다. KClO3를 가열하면 산소기체가 발생하고, KCl 고체가 남는다. 이때 MnO2는 KClO3의 분해반응에 촉매로 작 용하여 산소기체의 발생 속도를 증가시킨다. 이 반응에서 발생한 산소기체의 부피는 기체 발생 장치에서 밀려나간 물의 부피로부터 계산할 수 있다. 그러나 삼각 플라스크의 위쪽에는 산소기체와 함께 수증기도 포함되어 있으므로 산소기체의 압력을 정확하게 알아내기 위해서는 수증기의 부분압력을 보정해주어야 한다.

NaHCO3 인 경우 CO2 기체가 발생하며 NaOH 고체가 남는다. 이 경우에도 발생한 이산화탄소의 부피 를 기체 발생 장치를 이용해서 알아낼 수 있다.

2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g) NaHCO3(s) → NaOH(s) + CO2(g)

* 기체상수

이상기체 1몰의 상태방정식은 압력을 P, 부피를 V, 절대온도를 T라 할 때 PV=RT로 표시된다. V는 아보 가드로의 법칙에 의해 등온·등압 하에서 그 종류에 관계없이 항상 일정한 값(0°C, 1atm에서는 22.4L)을 가 지는데 비례상수는 기체의 종류에 관계없는 상수로, 이것이 기체상수이다.

이상기체 1 mol을 취하면 R의 값은 R=PV/nT에 의해
R = (22.414 L) (1atm)/ (1mol)( 273K ) = 약 0.082 L· atm/mol ·K 이다.

<조사할 내용>

1) 이상기체

2) 이상기체 상태방정식

3) 촉매의 역할

4) 증기압과 온도에 따른 물의 증기압 표

(10주차 예비보고서에서 작성)

https://devlawyer.tistory.com/28

3. 실험방법

1 그림을 참고하여 시험관을 연결하지 않은 상태의 기체발생 장치를 만든다. 마개와 고무관의 연결부분으로 기체가 새어 나가지 않도록 파라 필름으로 꼼꼼히 틈을 막는다. 시험관에 연결된 고무관은 삼각플라스크 안의 물과 닿지 않게 하고, 비커에 연결된 고무관은 삼각플라스크의 바닥에 닿을 정도로 충분히 길게 높이를 조절한다.

2 약 1g의 KClO3 와 0.1g의 MnO2를 시험관에 넣고 총 무게를 측정하여 기록한다.

3 그림과 같이 비커에 약간의 물을 넣고 삼각플라스크에는 물을 거의 가득 채운다. 그리고 클램프를 연 상태에서 시험관이 연결된 고무관에 공기를 불어넣어, 비커 쪽으로 연결된 고무관에 물이 채워지게 한 후, 물이 역류하지 않도록 조임 클램프로 고무관을 막는다.

4 2에서 준비한 시험관을 그림과 같이 고무관에 연결한 후 파라필름으로 틈새를 막는다. 그림과 같이 시험관을 약 30°정도 기울여 고정시키는데, 이때 시료가 시험관의 벽을 따라 넓게 퍼지게 하고 고무마개에 닿지 않게 한다.

5 현재 상태에서는 삼각플라스크의 압력과 대기압이 다르므로, 두 기압 사이의 평형을 이루도록 조절하기 위해서 조임 클램프를 열고 비커의 수면이 삼각플라스크의 수면과 일치하도록 비커를 올려준다. 이때, 비커에 담겨 있던 고무관이 물 밖으로 나오지 않도록 주의한다 (그렇게 하지 않으면 기체가 삼각플라스크로 들어간다).

6 조임 클램프를 잠그고 비커에 있는 물을 버린다.

7 조임 클램프를 다시 연다. 이때 물이 다시 비커로 들어가더라도 그대로 방치한다.

8 분젠버너를 이용해 시험관 전체를 서서히 가열하면 기체가 발생하면서 삼각플라스크의 물이 비커로 밀려나온다. (불꽃의 가장 윗부분과 시험관과의 간격을 약 3cm 로 유지한다. 불꽃과 시험관이 너무 가까우면 반응이 격렬히 일어나고 다량의 기체가 한꺼번에 발생하여 위험하다. 또한 거리가 멀면 반응이 너무 느려진다.)

9 비커로 밀려나오는 물의 양이 점점 줄어들다가 변화가 없으면, 가열하는 것을 멈추고 시험관이 식을 때까지 기다린다.

10 비커 속의 물의 양을 측정하고 시험관의 무게를 측정한다.
11 대기압을 1 기압, 물의 온도는 25°C로 가정한다. 이 온도에서의 물의 증기압을 확인한다. 12 1g NaHCO3 와 0.1g 의 MnO2 를 넣고 같은 방법으로 실험한다.
13 실험은 각 2회씩 진행한다.

<그림> 기체발생장치

4. 기구와 시약

1 실험기구 : 시험관, 메스실린더(100mL), 고무마개, 클램프, 스탠드, 고무관 2 개, 파라필름, 비커(500mL), 삼각플라스크(500mL), 온도계, 물체받침대

2 시약: KClO3, MnO2, NaHCO3

5. 실험 과정

5-1. KClO3 기체 발생

촉매인 MnO2를 너무 많이 넣어버림..

원래 0.1g넣어야하는데 0.135g 넣은듯

(대기압과 맞추기위해)평행선 맞추고 연소시키자

물이 얼만큼 나오는지 확인하자 = 연소된 물질 부피

5-2. NaHCO3 기체 발생

물 콸콸콸 나오는 동영상이 있는데 너무 파일이 커서 업로드 하진 않았다.

6. 실험 결과

7. 관찰과 결과분석

7-1. 이 실험에서 사용하는 기체에 따라서 삼각 플라스크에 넣는 액체를 적절하게 선택해야 한다. 기체와 액체의 어떤 성질을 고려하여 액체를 선택해야 하겠는가?

이 실험은 수상치환을 통해 기체를 포집하는 실험이다.
수상치환이 가능하도록 하기 위해서는 기체가 액체에 녹지 않아야 한다. 따라서 액체에 대한 기체의 용해도를 고려해여 기체를 녹이지 않는 액체를 선택한다.
(기체가 물에 녹아버리면 그 만큼 계산시 오차발생)
액체 또한 기체와의 반응성이 없어야 하며 휘발성이 작아야 한다.

7-2.  KClO3와 NaHCO3를 사용한 실험에서 얻은 각 기체 상수 평균을 이용하여 오차율을 구하고, 실험값과 이론값(0.0821 L·atm/mol·K)이 차이가 나는 이유를 쓰시오.

이론 기체상수 0.08206 (L·atm/mol·K)
KClO3 실험에서 구한 기체상수의 평균 0.072188191 (L·atm/mol·K)
이때의 오차율 계산
(|0.08206- 0.07218|*100) / 0.08206 = 12.03%

NaHCO3 실험에서 구한 기체상수의 평균 0.050983284 (L·atm/mol·K)
이때의 오차율 계산
(|0.08206- 0.05098|*100) / 0.08206 = 37.87%

전체 평균 0.061585738 (L·atm/mol·K)
이때의 오차율 계산
(|0.08206- 0.06159|*100) / 0.08206 = 24.95

7-2.A 차이가 나는 이유

1. NaHCO3가 분해되면 NaOH가 생성되는데 이는 조해성이 있어 물을 흡수하므로 가열 후 시험관의 질량이 크게 측정된다. 따라서 이산화 탄소의 질량이 작게 측정돼 기체상수R에 오차가 발생한다.
또한 물에 대한 산소와 이산화탄소의 용해도가 다르므로 기체상수R의 값이 다르게 나온다.
2. 실험과정중에는 우선 NaHCO3포집시에는 삼각플라스크에 물을 적게 담아 기체가 삼각플라스크빈공간을 겨우 채우고 물이 많이 비커에 모이지 않았다. 그로인해 장시간 가열해서 삼각플라스크 마개쪽에서 기체가 새어 나갔을 수도 있다. 실험시 촉매인 MnO2를 너무 0.1g 이상 많이 담았다. 물질 자체가 영향을 주었을수도 있다.
3. 실험조건중에는 우선 25도씨 상온에서의 물의 증기압력으로 계산하였는데 실험당시 실험실의 온도가 25도씨가 아닐 가능성이 높다. 그리고 실제 대기압또한 정확히 1atm이 아닐 것이다. O2, CO2의 몰질량을 31.99g/mol, 44.01g/mol로 계산하면 이론값에 좀더 다가갈수 있을 것이다.
4. 산소기체가 이상기체의 행동에 따르지 않기 때문이다. 이상기체의 경우 부피와 무게가 없고, 분자의 운동은 완전 탄성으로 반발력과 인력이 존재하지 않는 상태를 가정하는데, 실제기체는 부피와 (매우 작지만)무게가 있고 분자끼리 반발력과 인력이 있기 때문에 이상기체 상태 방정식을 만족시키지 못한다. 이를 실제기체에 적용하기 위해서는 기체 간의 분자간 인력이나 반발력을 보정하는 계수와 분자 자체의 부피를 보정하는 계수가 포함되어 있어야 한다. (반데르 발스 방정식 사용)

7-3. 반응에서 발생한 기체의 부분압력을 대기압과 수증기압 차이로 계산한 이유는?

눈금실린더 속에는 발생한 기체와 수증기가 함께 혼합되어 있다.
돌턴의 부분압력 법칙에 의하면 혼합기체의 압력은 각 성분의 부분압력의 합과 같다.
따라서 대기압 = 기체의 압력 + 수증기의 압력이므로 기체만의 압력을 구하기 위해서는 대기압에서 수증기의 압력을 빼서 계산할 수 있다. 이때 수조와 눈금실린더 높이를 같게하여 물기둥의 압력을 고려하지 않게 만들어야한다.

8. 후기

마지막 보고서입니다

뭔가 어느정도? 여운이 남긴한데 기말고사도 봐야하니까 그럴 여유가 없네요

화및실2도 2학기때 들을 수 있을까 계속 고민되는 하루입니다.

아니면 화공 과목 2학년꺼나 3학년꺼 들을까도 고민중 (열역학, 유기화학2, 반응공학, 공정제어등등)