[화학및 실험2] 1주차 예비보고서, 기체의 확산 법칙

 

드디어??...

2학기 개강이네요!! 결국 화및실2를 수강신청하게되었네요ㅎ

[실험 제목]

기체의 확산 법칙 확인

[실험 목적]

다양한 방법으로 분자량이 다른 기체들의 확산속도를 측정하여 확산의 개념을 이해하고 Graham의 법칙을 확인한다.

[실험 이론]

다음 실험 이론을 조사하시오.

1. 기체분자운동론에 대해 설명하시오

이상기체식은 기체들이 어떻게 거동하는가에 대하여 설명할 수 있지만, 기체들이 왜 그렇게 거동하는가에 관해서는 설명할 수 없다. 기체를 일정압력하에서 가열할 때. 팽창하는 이유는 무엇인가? 또는 기체를 일정온도에서 압축할 때 기체 압력이 증가하는 이유는 무엇인가? 기체의 물리적 성질을 이해하려면, 압력이나 온도와 같은 실험조건이 변화할 때 기체입자에게 무슨 일이 일어나는지를 설명할 수있는 모형이 필요하다. 이러한 모형으로, 기체 분자 운동론(kineicmoleculartheoryofgas)은 약 100년에 걸쳐 발전하였고, 1857년에 RudolfClausius(1822~1888)에 의해 비로소 완성되었다.

분자 운동론(움직이는 분자에 대한 이론)을 요약하면 다음과 같다.

 

1. 무질서한 운동

기체는 끊임없이 무질서하게 움직이는 많은 분자로 구성된다

(단, 분자는 어떤 기체를 구성하는 최소입자를 표현한다. 예를 들어 비활성기체와 같은 몇 가지기체의 최소입자는 개별 원자이다. 모든 기체 원자에 적용된 분자 운동론을 통하여 기체의 움직임을 알 수 있다).

2. 무시가능한 분자의 부피기체

분자가 실제로 차지하는 부피는, 기체가 차지한 전체 부피에 비해 무시할 수있을 정도로 작다.

3. 무시가능한 힘

기체 분자간의 인력과 반발력은 무시할 수있을 정도 이다.

4. 일정한 평균 운동에너지

분자의 충돌로 인해 분자 사이에 에너지가 이동할 수 있지만, 기체온도를 일정하게 유지하면 평균 분자 운동에너지는 시간에 따라 변하지 않는다.

5. 평균 운동에너지는 온도에 비례

분자의 평균 운동에너지는 절대 온도에 비례한다. 특정온도에서, 모든 기체 분자는 같은 평균 운동에너지를 갖는다.

 

분자 운동론은 분자 수준에서 압력과 온도를 이해할 수있게 한다. 기체의 압력은 용기의 벽과 분자의 충돌로 인해 발생한다(그림). 분자들이 얼마나 자주, 얼마나 세게 벽을 때리는가에 의해 압력의 크기가 결정된다. 기체의 절대 온도는 분자가 갖는 평균 운동에너지의 척도 이다. 주어진 온도에서 서로 다른 두 가지기체의 분자들은 동일한 평균 운동에너지를 갖는다(분자 운동론 요약 5번). 기체의 절대 온도가 두배로 상승하면, 분자의 평균 운동에너지도 두배로 증가 한다. 따라서 분자의 움직임은 온도가 상승함에 따라 커진다.

기체분자운동론 그림

 

출처 :브라운 일반화학 15판 10.6 기체분자운동론 p.466

2. 확산과 확산속도에 대해 설명하시오

25°C에서 몇가지 기체의 분자속도 분포, 몰질량의 영향

기체의 분자 운동론에 의하면, 기체 분자의 집단으로서 기체가 갖는 평균 운동에너지 1⁄2m(u_rms)^2은 일정한 온도에서 특정한 값을 갖는다. 따라서 두 가지기체가 같은 온도에 있을 경우, H와 같은 가벼운 입자로 구성된 기체는, Xe와 같은 훨씬 더 무거운 입자로 구성된 기체와 같은 평균 운동에너지를 갖는다. He시료 입자의 질량은 Xe시료 입자의 질량보다 작다. 결과적으로 He입자는 Xe입자보다 ms속도가 높아야 한다. 이러한 사실을 정량적으로 나타내는 식은 다음과 같다.

분출 속도식

여기서 M은 입자의 몰질량으로, 분자 운동론으로부터 유도할 수 있다. 몰질량(10)이 분모에 있기 때문에, 기체 분자의 질량이 작을수록 ms속도는 더 크다. 그림 10.14는 25°C에서 몇가지 기체의 분자속도 분포를 나타낸다. 기체의 몰질량이 작을수록 분포곡선이 큰속도쪽으로 이동하는 것에 주목하라. 기체 분자의 최빈속도는 다음과 같이 유도될 수 있다.

확산 속도식

질량에 대한 분자속도의 의존성은 두가지 홍미 있는 결과를 갖는다. 첫번째는 분출(effusion)로, 기체 분자가 작은 구멍을 통하여 분출하는 현상(그림 10. 15)이다. 두번째는 확산(diffusion)으로. 한 물질이 공간상으로 또는 다른 물질속으로 퍼져 나가는 현상이다. 예를 들어 향수분자는 실내 전체로 확산된다.

 

출처 :브라운 일반화학 15판 10.7 분자의 분출과 확산 p.470

 

3. Graham의 확산 법칙 (Graham's law of diffusion)에 대해 설명하시오

 ThomasGraham(1805~1869)은 1846년에 기체의 분출속도가 몰질량의 제곱근에 반비례하는 것을 발견하였다. 같은 온도와 같은 압력에서 두 기체가 작은 구멍이 뚫린 두개의 용기에 각각들어 있다고 가정해 보자. 두기체의 분출속도를 각 n과라고 하고, 몰질량을 M1과 M2 라고 하면, Graham법칙(Graham'slaw)은 다음과 같다.

Graham의 확산법칙 (식 10.22)

v1/v2 = u_rms1/ u_rms2 = sqrt{(3RT/M1)/(3RT/M2)} = sqrt{M2/M1} [10.23]

 

 이 관계는 가벼운 기체일수록 더 빠른 속도로 분출함을 나타낸다. 그림 10.15에서 처럼 용기로부터 분자가 탈출하는 유일한 방법은 분자가 구멍과 '충돌하는 것이다. 분자의 움직임이 빠를수록 분자가 구멍과 부딪쳐 분출할 가능성이 높아진다. 이것은 분출속도가 분자의 rms속도에 정비레하는 것을 의미한다. R과 T는 일정하므로, 식 10.22로부터 다음과 같은 관계를 얻을 수 있다.

Graham 법칙의 유도

 Graham법칙에서 예상할 수 있듯이, 헬륨은 더 큰 분자량을 갖는 다른 기체에 비해 훨씬 빠르게 구멍을 통해 용기를 빠져나올 수 있다

출처 :브라운 일반화학 15판 10.7 분자의 분출과 확산 p.471

 

4. 위 시약들의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 조사하시오. (원자량, 녹는점, 끓는점 포함)

[기구와 시약] 

기구 :
스탠드, 클램프, 시험관, 유리관, 호일, 스포이드, 탈지면, 자, 리트머스 종이(붉은색), 핀셋, 페트리 접시 

시약 :

HCl, NH4OH, diethylamine, triethylamine

 

 

4-1. HCl (염산):

원자량: 약 36.46 g/mol

화학적 성질
산성 성질:
염화 수소는 강한 산으로 분류됩니다. 수용액에서 염화 수소 분자는 수소 이온(H+)을 방출하며, 이로 인해 수용액은 산성이 됩니다. 아래 반응을 통해 염화 수소의 산성성이 확인됩니다.
HCl(aq) -> H+ + Cl-

중화 반응:
염화 수소의 수용액은 염화 이온(Cl-)을 함께 포함하며, 이들은 수소 이온과 결합하여 염화 수소 분자와 물의 상호작용을 통해 H3O+ (수소 이온 결합 물 분자)를 생성하는 중화 반응을 일으킵니다.

HCl + H2O -> H3O+ + Cl-

금속 부식:
염화 수소는 일부 금속을 부식시킬 수 있습니다. 예를 들어 아연과 반응하면 염화 아연과 수소 기체를 생성합니다.
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2↑

유기 화합물 염화 반응:
염화 수소는 유기 화합물을 염화시키는 데에도 사용됩니다. 이때 염화 수소는 수소화된 유기 화합물의 수소 원자를 치환하여 염화물을 생성합니다.
Ph-H + Cl-Cl -> Ph-Cl + HCl

산-염기 반응:
염화 수소는 염기성 물질과 반응하여 중화되며, 염화 이온(Cl-)이 생성됩니다.
HCl + NaOH -> NaCl + H2O

산도 지수와 이온화 상수:
염화 수소는 강산으로, 산도 지수(Ka) 값이 높습니다. 이는 염화 수소의 수용액이 물에 해리되어 수소 이온과 염화 이온을 생성하는 정도를 나타냅니다. 염산은 수용액에서 거의 완전히 해리되기 때문에 Ka 값이 높습니다.
보존 및 사용:
염화 수소는 강한 산성을 가지기 때문에 보관 및 다루는 데 주의가 필요합니다. 산성 기성과의 접촉을 피하고, 적절한 안전장비와 환기 시스템을 사용하여 다루어야 합니다.

물리적 성질
염산의 다양한 결정화 형태:
염산은 염화 수소와 물이 특정 비율로 혼합될 때 생성되며, 염화 수소의 농도에 따라 다양한 결정화 형태를 가집니다. 이러한 형태는 염화 수소 분자와 물 분자가 어떻게 배열되는지에 따라 달라집니다.

끓는점의 변화:
염화 수소와 물의 혼합물인 염산은 염화 수소의 농도에 따라 끓는점이 변화합니다. 특정 농도에서는 불변 끓음 현상이 나타날 수 있습니다. 즉, 혼합물이 특정 농도에서 끓는 온도가 일정하게 유지됩니다.

준안정 공정점:
염산의 결정화 형태 중 하나인 HCl⋅3H2O는 준안정 공정점을 형성합니다. 이것은 염화 수소와 물, 그리고 결정화된 염산이 얼음 사이에서 중간 형태를 띄우는 상태를 말합니다. 이 상태에서 염산의 농도는 특정 값에 유지됩니다.

물리적 성질의 변화:
농도에 따라 염산의 물리적 성질이 변화합니다. 결정화 형태, 끓는점, 밀도, 비열 등이 농도에 의해 영향을 받습니다. 이는 염화 수소와 물 분자 간의 상호작용, 구조의 변화 등으로 인해 발생합니다.

위험성
과망가니즈산 칼륨과의 반응:
2KMnO4 + 16HCl -> 2MnCl2 + 8H2O + 2KCl + 5Cl2

차아염소산나트륨과의 반응:
NaClO + 2HCl -> H2O + NaCl + Cl2

염산의 농도에 따른 위험성은 다음과 같이 분류됩니다.

10-25% 농도: 자극물 (R36/37/38)
25% 초과 농도: 부식성 물질 (R34R37)
염산 자체는 폭발하지는 않지만, 염산에서 생성된 수소 기체는 폭발할 수 있습니다. 특히 이온화 경향이 큰 알칼리 금속이나 알칼리 토금속과 염산이 반응하면 금속이 부식되고 수소 기체가 생성됩니다.

2M + 2HCl ->2MCl + H2

이온화 경향이 큰 칼륨, 칼슘, 나트륨과 같은 금속과 염산이 반응하면 많은 양의 수소 기체가 생성되며, 높은 온도에서는 폭발할 수도 있습니다. 이러한 반응은 물질의 화학적 특성과 상호작용에 의한 것으로, 다룰 때에는 안전 조치가 필요합니다.

 

4-2. NH4OH (암모니아 수용액):

원자량: 약 35.05 g/mol

물리적 성질:
상태: 무색의 액체
특유의 냄새: 암모니아 수용액은 특유한 아미노 냄새를 가집니다.
농도에 따른 물리적 변화: 농도가 높을수록 아미노 냄새와 물리적 특성이 더 강해질 수 있습니다.

화학적 성질:
염기: 암모니아 수용액은 약한 염기로 작용합니다. 수용액 내의 암모늄 이온(NH4+)과 수산화 이온(OH-)가 함께 존재하며, 이들은 물 분자와 상호작용하며 염기성을 나타냅니다.
중화 반응: 산성 물질과 반응하여 중화 반응을 일으킬 수 있습니다.
금속 부식: 일부 금속에 대해 부식 반응을 일으킬 수 있습니다.
가스 생성: 암모니아 수용액은 가열되거나 증발할 때 아미노 냄새를 풍깁니다. 이것은 암모니아 기체로서 환원되는 결과입니다.

위험성 및 주의사항:
피부와 눈에 자극: 암모니아 수용액은 피부나 눈과 접촉 시 자극을 일으킬 수 있습니다. 접촉한 부위를 충분히 세척하는 것이 중요합니다.
증기 및 가스 위험: 암모니아 수용액이 증발하거나 가열될 때, 유독한 아미노 기체를 방출할 수 있습니다. 높은 농도의 증기는 호흡곤란과 위험한 호흡기 증상을 유발할 수 있습니다.
취급 주의: 암모니아 수용액을 다룰 때에는 적절한 안전장비를 착용하고 환기를 유지해야 합니다. 또한 안전 지침을 준수하여 눈, 피부, 호흡기의 보호를 해야 합니다.
암모니아 수용액은 염기성 물질이므로 주의하여 다루어야 하며, 특히 그 냄새와 증기가 인체에 미치는 영향에 주의해야 합니다. 필요한 경우 적절한 보호장비를 착용하고, 환기를 유지하며, 안전 조치를 준수하여 다루어야 합니다.

4-3. Diethylamine (다이에틸아민):

화학식: C4H11N
원자량: 73.139 g/mol

물리적 성질:
상온에서의 상태: 무색의 액체
냄새: 특유의 아미노 냄새를 가지며, 상대적으로 강한 냄새를 띕니다.
녹는점: 약 -50 도씨
끓는점: 약 55-57 도씨
밀도: 약 0.707 g/cm^3
용해도: 물과 혼합 가능하며, 많은 유기 용매와도 혼합이 가능합니다.

화학적 성질:
알칼리성: 다이에틸아민은 염기성 화합물로 작용합니다. 수용액 내에서 프로톤을 전달하여 수산화 이온(OH-)을 생성하여 염기성을 나타냅니다.
염기 역할: 화학 반응에서 수소 이온을 받아들여 중화 반응을 일으키는 역할을 합니다.
아밀화 반응: 다이에틸아민은 아밀화 반응과 같은 유기 화학 반응에 참여하여 아밀화 화합물을 생성할 수 있습니다.

위험성 및 주의사항:
취급 주의: 다이에틸아민은 강한 아미노 냄새와 자극성을 가질 수 있습니다. 다룰 때에는 적절한 환기와 안전장비를 착용하여 취급하는 것이 중요합니다.
눈, 피부 자극: 물과의 접촉 시 눈과 피부를 자극할 수 있으므로 접촉을 피하고, 접촉한 경우 즉시 세척하는 것이 중요합니다.
호흡기 자극: 다이에틸아민 증기를 흡입하거나 높은 농도에서 노출될 경우 호흡기 자극을 일으킬 수 있으므로 적절한 환기를 유지하는 것이 중요합니다.
화재 위험: 높은 농도에서는 화염 또는 뜨거운 표면과 접촉 시 화재 위험이 있을 수 있습니다.
다이에틸아민은 유용한 화합물이지만, 그 냄새와 화학적 특성에 주의를 기울여 안전하게 다루어야 합니다. 필요한 경우 안전 지침을 따르고 적절한 보호장비를 착용하여 사용해야 합니다.

 

4-4.Triethylamine (트리에틸아민):

화학식: C6H15N
원자량: 101.193 g/mol

물리적 성질:
상온에서의 상태: 무색의 액체
냄새: 강한 아연 및 또한 어미노 냄새를 가집니다.
녹는점: 약 -114 도씨
끓는점: 약 89-91 도씨
밀도: 약 0.728 g/cm^3
용해도: 물과 혼합 가능하며, 유기 용매와도 혼합이 가능합니다.

화학적 성질:
염기성: 트리에틸아민은 염기성 화합물로 작용합니다. 수용액 내에서 수소 이온(H+)을 받아들여 수산화 이온(OH-)을 생성하여 염기성을 나타냅니다.
염기 촉매: 화학 반응에서 중화 반응을 촉진하거나 가속시키는 역할을 하는 염기 촉매로 사용될 수 있습니다.
화학 반응 참여: 알칼리성 물질과 반응하여 중화 반응을 일으키거나 유기 화합물의 생성에 참여할 수 있습니다.

위험성 및 주의사항:
눈, 피부 자극: 트리에틸아민은 눈과 피부를 자극할 수 있으므로 접촉을 피하고, 접촉한 경우 즉시 세척해야 합니다.
호흡기 자극: 증발 시 강한 냄새와 함께 자극적인 증기를 발생시킬 수 있습니다. 증발되는 증기를 흡입하지 않도록 주의해야 합니다.
인체 흡수: 피부 또는 호흡을 통해 흡수될 수 있으며, 높은 농도에서 노출될 경우 건강 문제를 일으킬 수 있습니다.
트리에틸아민은 산업 및 실험실에서 널리 사용되는 화합물이지만, 그 강한 냄새와 화학적 특성에 주의를 기울여 안전하게 다루어야 합니다. 필요한 경우 안전 지침을 준수하고 적절한 보호장비를 착용하여 사용해야 합니다.

 

출처: 위키백과 검색어 '염산', '암모니아수'
MSDS 검색어 디에틸아민 (CAS No 109-89-7)
MSDS 검색어 트리에틸아민 (CAS No 121-44-8) 참고후 요약

 

 

5. [실험 방법] 이때 (B) 실험에서 NH3, Diethylamine, Triethylamine의 이론적인 확산속도 비를 소수점 아래 둘째 자리까지 구하시오. (NH3 : Diethylamine : Triethylamine)
(답안 예시 : 9.56 : 1.00 : 5.45)
(NH3 분자량: 17.03 g/mol, diethylamine 분자량:73.14 g/mol, triethylamine 분자량: 101.19 g/mol)

실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

 

A. 산·염기 반응을 통한 기체 확산속도 측정
1. 클램프를 사용하여 유리관을 수평이 되게 스탠드에 고정한다.
2. 탈지면 뭉치 2 개를 준비하여 페트리 접시 위에 둔다.
3. 스포이드를 이용하여 동시에 한쪽 탈지면에는 HCl (aq)을 15 방울, 다른 쪽에는 NH4OH (aq) 15 방울을 가하고 유리관 양쪽 끝에 넣어준 후 호일로 구멍을 막아준다.
(탈지면을 유리관에 넣음과 동시에 타이머를 작동시킨다.)
4. 유리관을 잘 관찰하여 처음에 흰색 고리가 생겼을 때의 시간을 기록한다.
5. 고리가 생겼다면, 탈지면과 흰색 고리 사이의 거리를 측정한다.

 

B. 분자량이 다른 염기성 물질의 기체확산 속도측정
1. 리트머스 종이 끝에 증류수를 살짝 묻혀 시험관 내부에 리트머스 종이를 끝까지 집어넣어 고정한 뒤 건조시킨다.
2. 페트리 접시에 탈지면을 놓고 스포이드를 이용하여 NH4OH (aq) 5방울을 떨어뜨린다.
3. 떨어뜨린 탈지면 위에 리트머스 종이가 들어 있는 시험관을 뒤집어 세운다.
(이때, 리트머스 종이에 탈지면이 닿지 않도록 주의한다.)
4. 리트머스 종이의 색 변화 범위를 관찰하여 25초 동안의 확산거리를 측정한다.
5. 이 과정을 한 번 더 반복한다. (총 2회)
6. Diethylamine과 triethylamine 용액에 대해서도 각각 2회씩 측정한다.

5-A.

2.44  : 1.18  :  1.00

 

6.  출처

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

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색

 

 

https://product.kyobobook.co.kr/detail/S000200598129

Brown 일반화학 세트 | Theodore L. Brown - 교보문고