[화학및 실험1] 3주차 예비보고서, 스테아르산의 단층막을 이용한 아보가드로수의 결정

[실험 제목]

 

스테아르산의 단층 막을 이용한 아보가드로수의 결정

 

[실험 목적]

물 표면에 퍼지면서 단층 막을 형성하는 스테아르산의 성질을 이용해서 몰(mole)을 정의하는데 필요한 아보가드로수를 구해본다.

[실험 이론]

다음 실험 이론을 조사하시오.

1. 아보가드로의 수에 대해 설명하시오.

아보가드로 상수(Avogadro constant)는 입자수를 물질량과 관계짓는 비례상수로, 기호는 N_A 또는 L이다. SI 단위로 나타내면, 아보가드로 상수는 정확히 6.02214076 x 10^23을 아보가드로 수(Avogadro number)라고 한다, 입자수 N, 물질량 n, 아보가드로 상수 N_A에 대하여 N = nN_A가 성립한다.

물질량의 SI단위인 몰(mole, 기호:mol)은 그동안 '탄소-12 12g 속에 들어있는 원자의 물질량'으로 정의됐다. 하지만 2019년 몰의 기준도 탄소-12가 아니라 정확하게 정의돈 아보가드로 상수 N_A = 6.02214076 x 10 ^ 23 mol^-1로 재정의되었다.

이 물리 상수의 이름은 19세기 이탈리아의 과학자 아메데오 아보가드로를 딴 것이다. 장 바티스트 페랭이 이 이름을 처음 사용했다.
페랭은 이 수를 "아보가드로 상수"로 불렀다. 이 상수의 값은 1865년 요한 요제프 로슈미트가 이상 기체 법칙을 이용해 계산해 냈으며, 그래서 독일어 권에서는 이 값을 "로슈미트 수"라고 부르기도 한다. 로슈미트 수는 원래 1cm^3내에 들어있는 입자 개수에 붙여진 이름이었다. (또는 1기압에서 1m^3에서 존재하는 원자의 수)

출처: 위키백과, 검색어 '아보가드로 수'

2. 단분자층 (monolayer)에 대해 설명하시오

단분자층(monomolecular layer)

단분자층, 소수기, 친수기를 한눈에 볼수 있다.

고체 또는 액체 표면에 생기는 두께가 한분자의 지름 정도 되는 얇은 층. 한분자층이라고도 한다.
이것이 계면에서 막을 이루고 있을 때는 단분자막(또는 한분자막)이라고 한다. 고급지방산 고급알코올등을 벤젠에 녹여 수면에 한 방울 떨어뜨리면 친수기를 물 쪽에, 소수기를 공기 쪽에 향하고 분자가 배향하여 단분자막을 이룬다. 또 금속 등이 산화할 때나 기체 또는 증기 등이 고체의 표면에 흡착할 때에도 두꺼운 산화막이나 흡착막이 생기기 전에 표면 또는 표면의 일부에 산화물이나 흡착물질의 단분자층이 생긴다. 수면이나 고체면상의 단분자층은 분자 배열의 특수성이 반영되어 있기 때문에 물질의 구조, 반응, 계면현상등의 연구에 원용된다.

출처: 사이언스올 과학문화의 모든것, 검색어 '단분자층(monomolecular layer)

3. 극성, 무극성(비극성), 친수성기, 소수성기에 대해 설명하시오

극성

극성이란 화학에서 이중극자 혹은 그 이상의 다중극자를 갖는 분자나 분자단에서 나타나는 전하의 분리를 의미한다. 일반적으로 두 개 이상의 원자로 이루어진 분자의 구조적 비대칭성이나 구성 원자간의 전기 음성도 차이에 의하여 전자구름이 한 방향으로 몰려서 생겨나는 전기 쌍극자 모멘트로 표현하기도 한다. ㄱㄱ성은 비교적 고정되어 있으며 정전기적 인력에 의한 이중극자간 상호작용 혹은 수소 결합 등을 통해 극성 분자간의 상호작용이 일어난다. 용해도, 녹는점 끓는점 등의 분자의 다양한 물리적 성질을 설명한ㄴ데 사용된다, 양전하를 띠는 원자핵이 얼마나 노출되었는지를 지표로 사용하기도 한다.
극성을 표현하기위해서 분자에서 전기 음성도가 크거나, 구조적으로 전자구름이 몰려 있는 쪽을 델타 마이너스, 그 반대편을 델타플러스로 간단하게 표현하기도 한다.

무극성 또는 비극성이란 극성이 매우 적거나, 심하게는 없는 것을 말하는 것으로 이러한 무극성 분자는 극성 분자에 비해 일반적으로 분자 간의 인력이 적으며 반데르 발스의 힘이라는 유사 극성으로 결합력을 강화하기도 한다. 분자의 구조가 대칭형인 분자들은 무극성이다. 무극성 분자 역시 무극성 분자끼리의 용해성이 크다.

출처: 위키백과, 검색어 '극성(화학)

친수성기

물과의 친화력이 강하고 물에 잘 녹는 성질을 지닌 물질의 원자단을 말한다. 일반적으로 극성이거나 이온성인 물질이 이에 해당된다. 또한 단백질과 같은 친수성 고분자 화합물도 이 성질을 갖고 있다. 이온성 친수성기에는 황산기, 슬폰산기, 카르복시산기 등이 있으며, 비이온성 친수성기에는 히드록실기, 아미드기 등이 있다. 또한 계면활성제의경우엔 물에도 잘 녹지만 다른 극성 용매에도 잘 녹는다.

출처: 사이언스올 과학문화의 모든것 , 검색어 '친수성기'

소수성기

물과의 친화성이 적고 기름과의 친화성이 큰 무극성의 원자단. 친유성기라고도 한다. 사슬 모양 탄화수소기방향족 탄화수소기 할로겐화알킬기 유기규소기 등이 대표적인 것이다. 탄화수소 사슬이 길어질수록 큰 수소성을 보인다. 예를 들면 탄소수 1인 메탄올은 물에 얼마든지 녹으나 탄소수 8인 옥탄올은 거의 녹지 않는다.

출처: 사이언스올 과학문화의 모든것, 검색어 '소수성기'

4. 시약 중 스테아르산의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 서술하시오

실험에 쓰이는 시약과 기구는 다음과 같다.

시약
송화 가루
스테아르산 (stearic acid) 용액

기구
페트리 접시(petri dish), 눈금 실린더(10ml), 증류수, 스포이드, 비커(50ml, 2개), 자, 시약 스푼(spetula)

 

스테아르산(stearic acid)은 18개의 탄소로 구성된 포화지방산이고, IUPAC 이름은 옥타데칸산(octadecanoic acid)이다. 왁스 같은 고체이고, 화학식은 C_17H_35CO_2H이다. 스테아르산의 이름은 수지(짐승 기름)를 의미하는 그리스어에서 유래되었다. 스테아르산의 염 및 에스터(에스테르)는 스테아레이트라 불린다. 스테아르산은 팔미트 산 다음으로 자연계에서 발견되는 가장 일반적인 포화 지방산 중 하나이다. 스테아르산 3분자로부터 유도되는 트라이글리세라이드는 스테아린이라고 한다.

CAS No. : 57-11-4 KE No. : KE-26333
물질성상 : 고체 분자량 : 284.48
끓는점 : 섭씨 383도 녹는점 : 섭씨 68.8
인화점 : 섭씨 196도
주요용도: 금속 비누 & 유지, 가정용 비누제품, 합성고무 경화 활성제, 표면 코팅을 위한 알킬화 에폭시수지, 합성고무 중합 유화제, 화장품 구성성분, 약제 태블릿 제조의 윤활제, 제과제빵의 이형제를 위한 화학물질 중간체

 

1. 피해야 할 조건 및 물질
피해야 할 조건: 열, 스파크, 화염 등 점화원
피해야 할 물질: 가연성 물질, 환원성 물질

2.누출 및 폭발, 화재 사고시 대처방법
누출 : 모든 점화원을 제거하시오
엎질러진 것을 즉시 닦아내고, 보호구 항의 예방조치를 따르시오.
위험하지 않다면 누출을 멈추시오
적절한 보호의를 착용하지 않고 파손된 용기나 누출물에 손대지 마시오
플라스틱 시트로 덮어 확산을 막으시오
피해야할 물질 및 조건에 유의하시오

3. 취급시 주의사항
개인 보호구 착용
배기설비 가동 / 용기밀폐
금여 화기엄금
밀폐공간에서는 공기공급식 송기 마스크 착용 면 마스크, 일반방진 방독 마스크 착용 금지

출처: 위키백과, 검색어 '스테아르산'
MSDS검색, 검색어 '스테아린산'

5. 스테아르산 용액이 단층막을 형성하는 이유를 설명하시오

[실험 방법]

실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

(1) 스테아르산 한 방울의 부피를 측정한다.
(2) 페트리 접시에 물을 충분히 채우고 수면이 잔잔해 질 때까지 기다린다.
(3) 송화 가루를 페트리 접시 중심에 소량 뿌려준다.
(4) 스테아르산 용액 한 방울을 송화 가루 한 가운데에 한 방울 떨어뜨린다.
(5) 단층 막의 직경을 측정한다.
(6) 농도가 다른 스테아르산 용액에 대하여 실험을 반복한다.

이유는?

• 스테아르산은 한 분자 내에서 친수성과 소수성을 모두 가지고 있는 특징이 있습니다. 탄화수소 사슬은 소수성을 띄고 있으며, 말단기에 카복실기(-COOH)를 가지고 있어 이 부분은 친수성을 띄게 됩니다(막대기 처럼 생겼습니다)
  송화 가루의 경우, 송화에서 얻은 가루로써 입자가 매우 곱고 황색을 띠는 가루입니다. 본 실험에서는 스테아르산이 퍼지면서 생기는 원형 기름 막을 자세히 관찰하기위해 사용됩니다.
  스테아르산을 물 위에 떨어뜨리면 극성을 가진 카복실기는 물과 잘 달라붙지만 무극성의 탄화수소 사슬은 물과 잘 접촉하지 않으려는 경향이 있습니다. 그래서 물 위에 스테아르산을 떨어트리면 카복실기가(-COOH)가 물쪽으로 향하고 무극성의 탄화수소사슬이 물층 위로 서 있는 단분자층의 막이 형성됩니다.
  송화 가루의 경우, 소나무의 꽃가루로써 입자가 매우 곱고 황색을 띠는 가루입니다. 본 실험에서는 스테아르산이 퍼지면서 생기는 원형 기름 막을 자세히 관찰하기 위해 사용됩니다.

출처

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EB%B3%B4%EA%B0%80%EB%93%9C%EB%A1%9C_%EC%88%98

아보가드로 수 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://www.scienceall.com/%EB%8B%A8%EB%B6%84%EC%9E%90%EC%B8%B5monomolecular-layer-%E5%96%AE%E5%88%86%E5%AD%90%E5%B1%A4/

단분자층[monomolecular layer, 單分子層] | 과학문화포털 사이언스올

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

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색