[화학및 실험1] 4주차 예비보고서, 마그네슘 연소 반응을 이용한 산소의 원자량 결정

[실험 제목]

마그네슘 연소 반응을 이용한 산소의 원자량 결정

[실험 목적]
마그네슘의 연소 반응을 통하여 결합한 산소의 원자량을 구해낸다.

[실험 이론]

다음 실험 이론을 조사하시오

1. 원자량에 대해 조사하시오.

단위설명을 위한 원자 질량 척도

오늘날 우리는 각각의 원자의 질량을 아주 정확하게 결정할 수있다. 예를 들어 1H 원자의 질량은 1.6735 x 10^-24 g 이며, 16O 원자의 질량은 2.6560 x 10 ^23g 이다. 매우 작은 질량을 나타낼 때에는 원자 질량 단위 (amu)를 이용하는 것이 편리하다.
1 amu = 1.66054 x 10^-24g, 1g = 6.02214 x 10^23 amu

여기서 u가 설명의 amu이다.

현재의 원자 질량 단위는 탄소의 12C 동위 원소의 질량을 정확히 12amu라고 정한 것에 따른다. 이단위에서 H 원자의 질량은 1.0078이며, O 원자의 질량은 15.9949amu에 해당한다.

원자량이란

자연에 존재하는 대부분의 원소들은 동위 원소의 혼합물로 존재한다. 따라서 여러가지 동위원소의 질량과 이들의 상대적 존재비의 곱을 모두 더함으로써 원자량(atomic weight)이라고 하는, 원소의 평균 원자 질량( average atomic mass)를 구할 수 있다.

원자량 = \sum_{원소의모든 동위 원소에 대해} ^{} { (동위 원소의 질량) x (동위 원소의 존재비) }

위에 수식에 대한 설명

예를 들어 자연계에 존재하는 탄소는 98.93%의 C(질량12)와 1.07 C(질량13)으로 이루어져 있다. 이들 동위 원소의 질량은 각각 12amu와 13.00335amu이다. 이로부터 원자량을 구할 수 있다.
(0.9893)(12 amu) + (0.0107)(13.00335 amu) = 12.01amu

탄소의 원자량 계산

주기율표와 원소들의 원자량 참고바람

출처 : 브라운 일반화학 14판 2.4장 원자량 (p.57~58)

2.질량보존의 법칙에 대해 조사하시오

1.질량 보존 법칙(law of conservation of mass)

은 닫힌 계의 질량이 화학 반응에 의한 상태 변화에 상관없이 변하지 않고 계속 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다. 다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, '(반응물의 질량) = (결과물의 질량)'이라는 수식을 만족한다. 질량 보존 법칙은 비상대론적인 법칙이며, 상대성이론을 고려 할 경우 상황은 조금 복잡해진다. 상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.
이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다. 그러나 이전에도 미하일 로모노소프(Mikhail Lomonosov) 등이 언급한 바 있다.

2.질량/물질 보존의 예외

2-1. 물질은 완벽하게 보존되지 않는다.

 

물질보존의 법칙은 특수 상대성 이론이나 양자역학을 고려하지 않은 고전적 이론에서만 참인 근사적인 물리 법칙으로 생각될 수 있다. 그것은 특정 높은 에너지 활용을 제외하고는 거의 참이다. 보존의 개념에 특정한 어려움은, '물질'이 과학적으로 잘 정의된 단어가 아니라는 점이다. 그리고 물질들이 '물질'이라고 생각될 때, (예를 들어 전자나 양전자) 등은 광자를 생성하기 위해 없어진다. (광자는 종종 물질로 생각되지 않는다) 그러면 물질의 보존은 고립계에서도 참이 되지 않는다. 그러나, 물질 보존은 방사능과 핵반응이 포함되지 않는 화학반응에서 안전하게 추정될 수 있다. 물질이 보존되지 않더라도, 계 안에서의 질량과 에너지의 총 합은 보존된다.

2-2. 열린계와 열역학적으로 닫힌 계

또한 질량은 열린계에서 일반적으로 보존되지 않는다. 계 내부나 외부로 다양한 형태의 에너지들이 투입될 수 있거나 나갈 수 있는 경우가 그런 예다. 그러나, 다시 말하지만 방사능과 핵반응이 포함되지 않는다면, 계에서 도망가는 열, 일, 전자기적 방사선은 계의 질량의 감소로 측정하기에는 사실 너무 작다. 고립계에서의 질량 보존 법칙(질량과 에너지가 전부 닫힌계)은 어떤 관성계에서 봐도 계속 현대 물리학에서 참으로 여겨진다. 이것의 이유는, 상대성 방정식이 심지어 '질량이 없는' 입자들, 예를 들어 광자들이 고립계에 질량과 에너지를 더한다고 보이기 때문이다. 질량 (물질이 아니지만)이 에너지가 도망가지 않는 계의 과정에서 엄격하게 보존되도록 허락한다. 상대성 이론에서는, 다른 관찰자들이 주어진 계에서의 보존된 특정 값에 동의하지 않을 수 있다. 그러나 각각의 관찰자들은 이 값이 시간에 따라 변하지 않는다는 것에 동의 할 것이다. (계가 모든것에 대해 고립되어 있다면)

2-3 일반 상대성 이론

일반 상대성 이론에서는, 팽창하는 부피의 우주에서 광자의 변치 않는 총 질량은 적생이동때문에 감소할 것이라고 한다. 그래서 질량과 에너지의 보존은 이론에서 에너지로 만들어진 다양한 수정들에 의존한다. 그러

출처 : 위키백과 검색어 '질량 보존 법칙

3.위 시약 중 마그네슘의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 서술하시오. (원자량, 녹는점, 끓는점 포함)

[기구와 시약]

시약
마그네슘 조각

기구
초시계, 사포, 스탠드, 링 클램프, 삼각링, 분젠 버너, 도가니와 도가니 뚜껑, 도가니 집게, 목장갑

3-1.마그네슘

마그네슘(Magnesium)은 알칼리 토금속에 속하는 화학원소로 기호는 Mg이고 원자번호는 12이다. 실온에서 은백색의 가벼운 금속으로 존재한다. 반응성이 크고 2가 양이온이 되려는 경향이 있으므로 자연에서 주로 마그네사이트, 백운암, 활석, 석면 등의 화합물의 형태로 발견된다. 지구의 지각에서는 질량 기준으로 약 2.5%를 차지하여 8번째로 많이 존재하는 원소이며, 우주 전체에서도 8번째로 많이 존재하는 원소이다. 우주에 있는 마그네슘은 주로 3개의 헬륨 원자핵과 1개의 탄소 원자핵이 크고 오래된 별 안에서 핵융합을 함으로써 생성되었다. 해수에는 이온(Mg^2+)의 형태로 존재하면, 해수 속 이온 중에서는 염화이온(Cl^-), 나트륨 이온(Na^+) 이어 세 번째로 많은 양이다.
주로 해수에서 얻은 염화 마그네슘(MgCl2)을 전기분해하여 얻거나 마그네사이트, 백운암 등의 광물에서 얻는다. 인체 내에서는 11번째로 많이 존재하는 원소이며, 300여가지 효소들과 모든 세포에게 필수적인 원소이다. 마그네슘은 세포 내에서 인산기를 가지는 DNA, RNA, ATP 등의 물질을 생성하고 수백가지의효소들이 작용하는 데 관여한다. 또한 탄수화물 대사 과정에서 촉매로 작용하므로 생명 활동에 중요한 역할을 한다. 식물의 엽록소에도 마그네슘 이온이 포함되어 있어 광합성에 중요한 역할을 한다. 마그네슘 화합물들은 의학적으로 변비약, 제산제(예시: 마그네시아 유제, milk of Magnesia), 비정상적인 신경 자극 또는 혈관 경련을 안정화하는 데 사용된다.

3-2.물리적성질

마그네슘은 은백색의 가벼운 금속이며 녹는점은 섭씨650도씨, 끓는점은 섭씨1090도씨이다. 밀도는 1.738 g/cm3이다. 결정 구조는 육방 밀집 구조이며, 연성과 전성이 있어 얇은 박 또는 철사 등으로 뽑을 수 있다. 또, 낮은 밀도에 비해 단단하여 구조재로 사용되면 특히 알루미늄, 아연, 망가니즈, 철 등과의 합금은 낮은 밀도에 비해 경도가 높고 내식성이 뛰어나 항공기, 자동차 등 다양한 분야에서 사용된다. 공기 중에서는 잘 발화하지 않지만 미세한 분말이나 얇은 선으로 만들면 자외선 영역의 빛을 포함하는 밝은 흰색 불꽃을 내며 연소하며, 이 때 불꽃의 온도는 섭씨3100도씨에 이를 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 카메라 조명이나 불꽃놀이, 섬광탄 등에 사용되며, 소이탄에 첨가되기도 하였다.

3-3. 화학적 성질

마그네슘은 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2의 전자배치를 가지며, 3s 오비탈의 전자 2개를 잃고 양이온이 되려는 성질로 인해 주된 산화수는 +2이다. 은백색의 금속이며 알칼리토금속 중에서 가장 낮은 녹는점과 끓는점(녹는점 923 K, 끓는점1363K)을 가지고 있다. 순수한 다결정의 마그네슘은 잘 부서진다. 마그네슘은 적은 양의 다른 금속과 합금하면(예:1 %알루미늄 합금)더 연성이 커진다. 공기 중에 노출되면 산소와 반응하여 투과성이 작고 제거하기 어려운 산화 피막을 형성하여 더 이상의 산화를 막는다. 그래서 더 마그네슘보다 더 무거운 아칼리 토금속 원소들과는 달리 마그네슘은 불투과성의 산화피막으로 보호받고 있기 때문에 산소를 차단하는 보관 환경을 따로 필요로 하지 않는다. 마그네슘은 분말이나 얇은 선으로 만들면 위에서 설명한 바와 같이 빠르게 연소하여 강한 백색광을 내며 산화 마그네슘(MgO)과 질화 마그네슘을 형성한다. 대부분의 화합물은 흰색의 이온 결합 물질로, 물에 쉽게 용해되어 쓴 맛을 나타낸다.

3-4. 위험성 서술

CAS No. : 7439-95-4. KE No. : KE-22673
물질성상 : 고체, 분말 분자량 : 24.3
끓는점: 섭씨 1100도씨 녹는점 : 섭씨 651도씨

피해야 할 조건 및 물질

열, 스파크, 화염, 고열로부터 멀리하시오 - 금연
물질은 상온 또는 약간 온도상승된 공기에 노출시 자연발화될 수 있으므로 적정온도 이하에서 보관하시오
습기

피해야할 물질

공기에 접촉시키지 마시오
격렬한 반응 및 화재의 가능성이 있으므로 물과 접촉하지 않게 하시오.
불활성 기체 하에서 취급하고, 습기를 방지하시오.
물!

누출 및 폭발,화재 사고시 대처방법
(분진, 흄, 가스, 미스트, 증기, 스프레이)의 흡입을 피하시오.
노출물을 만지거나 걸어다니지 마시오
매우 미세한 입자는 화재나 폭발을 일으킬 수 있으므로 모든 점화원을 제거하시오.
모든 점화원을 제거하시오
물분무로 증기를 줄이되 누출물이나 용기에 물이 들어가지 않도록 하시오
물분무를 이용하여 증기를 줄이거나 증기구름을 흩뜨려서 물이 누출물과 접촉되지 않도록 하시오
엎질러진 것을 즉시 닦아내고, 보호구 항의 예방조치를 따르시오.
위험하지 않다면 누출을 멈추시오
전문가의 감독없이 청소 및 처리를 하지 마시오
피해야할 물질 및 조건에 유의하시오

취급시 주의사항
개인 보호구 착용
배기설비 가동 / 용기 밀폐
금연 화기엄금

출처: 위키백과 검색어 '마그네슘'
산업재해예방 안전보건공단- 화학물질정보검색-MSDS검색-검색어 '마그네슘'

4. 마그네슘 리본은 공기중 산소, 질소와 아래와 같이 반응한다. 
빈칸채우기~

[실험 방법]

실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

 

(1) 마그네슘 리본 표면을 사포로 은색이 날 때까지 문지른다.
(2) 도가니에 마그네슘 리본을 넣고 질량을 측정한다.
(3) 가열을 시작하고 시간을 기록하기 시작한다.
(4) 2~3분 후부터 뚜껑을 여닫으며 빨갛게 타는지 관찰한다.
(뚜껑을 열어두지 말 것)
(5) 마그네슘 리본이 모두 희게 변하면 불을 끄고 시간을 기록한다.
(6) 충분히 식은 후에 뚜껑을 열고 질량을 측정한다.

주반응 : Mg + ½O2 ->   MgO

부반응 : 3Mg + N2 ->   Mg3N2 

출처

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A7%88%EB%9F%89_%EB%B3%B4%EC%A1%B4_%EB%B2%95%EC%B9%99

질량 보존 법칙 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A7%88%EA%B7%B8%EB%84%A4%EC%8A%98

마그네슘 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색