[화학및 실험1] 10주차 예비보고서, 기체 상수의 결정

[실험 제목]

기체 상수의 결정

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

[실험 이론]

다음 실험 이론을 조사하시오.

1. 기체상수에 대해 조사하시오.

이상 기체식에서 R을 기체 상수(gas constant)라고 한다.

R의 값과 단위는 사용된 P, V, n, T의 단위에 의존한다. 이상 기체식에서 T의 값은 항상 절대 온도(섭씨 대신에 켈빈으로)여야 한다. 기체 의 양 n은 보통 몰수로 나타낸다. 압력의 단위는 보통 atm이나 Pa를 사용하며, 부피는 리터(L)로 나타낸다. 밑에 표는 여러 가지 단위로 표현된 R의 수치를 나타내고 있다. 이상 기체식을 사용할 때는 문제에서 주어진 P. V. n, T의 단위들과 일치하도록 R의 형태를 선택해야한다.

기체 상수(영어: gas constant) 또는 이상 기체 상수(영어: ideal gas constant)는 이상기체상태방정식에 등장하는 물리 상수이다. 볼츠만 상수와 아보가드로 상수의 곱이다. 즉 R=kB⋅NA

볼츠만 상수와의 관계
볼츠만 상수 kB(간략히 k로도 사용됨)는 이상기체상수의 다른 형태로 사용된다. 이 볼츠만 상수는 기체의 몰수 대신 통계열역학에서 미시계가 가질 수 있는, 혹은 가능한 상태의 수를 나타낼 때 해준 에너지로 표현한다. 이는 아보가드로 수를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
KB = R/NA
따라서 볼츠만 상수를 이용하여 이상 기체 법칙을 표현하면 다음과 같다.
PV = NkBT

특별 기체 상수
실제기체 또는 혼합기체의 특별 기체 상수(_R)는 (일반) 기체 상수 R를 기체의 몰 질량 (M)으로 나눠준 것으로 나타낸다.
_R = R/M
일반적으로 특별 기체 상수를 기호 _R로 나타낸다. 이런 경우 R의 전후관계나 단위는 어떤 기체상수가 언급되었는가를 명시해야한다. 예를 들어 음속 방정식은 일반적으로 특정 기체 상수로 표현된다.
공기의 특별 기체 상수는
R_dry air = 287.058J/kg*k

공기의 특별 기체 상수는
표: 여러 가지 단위의 기체상수 R의 수치
단위 수치

기체상수의 단위들

L atm/mol K 0.08206
I/mol K* 8.314
m^3 Pa/mol K* 8.314
L torr/mol K 62.36
L kPa>mol K 8.314
*SI 단위

출처: 브라운 일반화학 p455

2. 이상기체와 이상기체의 상태 방정식 대해 조사하시오.

이상기체

이상 기체(ideal gas)란 압력, 부피, 온도 사이의 관계식이 이상 기체식으로 완벽하게 기술되는 가상의 기체를 말한다.
이상 기체식을 유도할 때, 두 가지 가정이 존재한다.

이상 기체 분자들은 서로 상호 작용하지 않으며,
분자들의 전체 부피는 기체가 차지하는 부피에 비해 훨씬 작다.
이런 이유로 용기 속에서 분자들이 차지하는 공간은 없다고 생각한다. 많은 경우 이런 가전으로 인해 도입되는 작은 오차는 허용될 수 있다. 좀 더 정확한 계산이 필요하다면, 분자 간에 존재하는 인력과 분자의 크기에 대해 알고 있으면 이 가정을 보정할 수 있다.

출처: 브라운 일반화학 p455

이상기체의 상태 방정식

Boyle 법칙: V ~ 1/P (n, T 일정)
Charles 법칙: V ~ T (n, P 일정)
Avogadro 법칙: V ~ n (P, T 일정)

보일, 샤를, 아보가드로 법칙

세가지 기체의 법칙은 모두 P, V, T, n등 네 가지 변수 중에서 두 가지 변수를 일정하게 유지하면서 다른 두가지 변수가 서로 어떻게 영향을 주는지를관찰하여 얻은 것이다.

이 관계식들을 조합하면 일반적인 기체 법칙을 만들 수 있다.
V ~ nT/P

비례 상수를 R이라고 하면, 등식은 다음과 같다.
V=R(nT/P)

이 식을 재정리하면, 다음과 같이 이상 기체식(ideal gas equation) 또는 이상 기체 법칙(ideal gas law)이라고 하는 식이 얻어진다.
PV = nRT

이상 기체식은 다양한 상황에 존재하는 대부분의 기체의 성질을 잘 설명해 준다. 그러나 이상 기체식은 실제 기체를 정확하게 설명하지는 못한다. 따라서 P. m. T가 일정한 값을 가질 때 측정 된 부피는 Py=nRT로부터 계산된 부피와 다를 수 있다. 실제 기체들은 항상 이상적인 거동을 하지는 않지만, 이상적 거동과 비교하여 그 차이가 매우 작다. 따라서 가장 정교한 연구를 제외한 모든 연구에서 그 차이를 무시할 수 있다.

출처: 브라운 일반화학 p454 ~ p455

3. 촉매의 역할에 대해 조사하시오.

 촉매(catalyst)란 자신은 영구적인 화학적 변화를 겪지 않으면서 화학 반응 속도를 변화시키는 물질이다. 생체 내에서 대기 중에서. 또는 바다 속에서 일어나는 대부분의 반응들은 촉매의 도움 으로 일어난다. 상업적으로 중요한 반응에 더 효과적으로 작용하는 촉매를 찾기 위해 많은 공업적 인 화학 연구가 이루어지고 있다. 또한 금속의 부식, 노화. 충치 발생 등과 같은 바람직하지 않은 반응을 촉진시키는 촉매를 억제하거나 제거하는 방법을 찾기 위해 많은 연구 노력을 기울이고 있다.

촉매는 어떻게 작용하는가? 속도 법칙의 일반적 형태(속도 = K[A]^m [B]^n)를 고려할 때.

 

상태방정식이 이럴때

반응속도는 다음과 같다.

촉매는 속도 상수 k의 값에 영향을 줄 것이다. Arthenius 식(k= Ae -E/RT)에 의하면, 속도 상수 k는 활성화 에너지(Ea)와 빈도 인자(A)에 의해 결정된다. 촉매는 Ea나 A의 값을 변화시켜$$서 반응 속도에 영향을 줄 수 있는데 다음 두 가지 방법으로 일어날 수 있다. 하나는 촉매가 무촉매반응의 Ea 값보다 작은 Ea 값을 갖는 새로운 메커니즘을 제공하는 것이고, 다른 하나는 촉매가 반 응물의 배향을 도움으로써 A를 증가시키는 것이다. 가장 극적인 촉매 효과는 Ea를 낮추어서 생긴 다. 일반적으로 촉매는 화학 반응의 전체 활성화 에너지를 낮춘다.
예를 들어, 과산화 수소의 분해 반응에서 H2O2가 먼저 Br- 이온과 반응하고, 그 다음에 Br2와 반응하는 연속적인 두 반응이 일어난다. 이 두 반응은 함께 과산화 수소 분해 반응에 촉매 작용 경로를 제공하기 때문에. 두 반응 모두 무촉매 반응에 비해서 상당히 작은 활성화 에너지를 가지고 있어야만 한다

출처: 브라운 일반화학 p 676 ~ p678

4. 증기압과 온도에 따른 물의 증기압 경향성에 대해 조사하시오.

4-1. 증기 압력

분자는 증발로 인해 액체 표면으로부터 빠져나가 기체 상태로 될 수 있다. 일정량의 에탄올 (CH3CH2OH)을 빈 밀폐 용기에 담았다고 가정해 보자. 이 에탄올은 즉시 증발하기 시작할 것이다. 그 결과, 에탄올 액체 위의 빈 곳에 채워진 증기 압력은 증가하기 시작 할 것이다. 잠시 후 증기의 압력은 일정한 값에 도달하는데, 이것을 물질의 증기 압력(vapor pressure)이라고 한다.
어느 순간에, 액체 표면에 있는 에탄올 분자의 일부는 이웃 분자의 인력에서 벗어날 수 있는 운 동 에너지를 가진다. 그러므로 기체상으로 빠져나갈 수 있다.

그림 11.23

그러나 기체상 분자 수가 많을수록 그림 11.23의 오른쪽 플라스크처럼 기체상 분자가 액체 표면에 부딪혀 액체 표면에 달라붙을 확률 이 커진다. 결국에는 분자들이 액체로 돌아오는 속도와 그들이 액체 상태에서 벗어나려는 속도가 정확하게 똑같아진다. 기체 상태의 분자 수는 일정한 값에 도달하고, 이런 상태에서 증기 압력은 일정하다.
두 가지 반대되는 과정이 동시에 같은 속도로 일어나는 것을 동적 평형(dynamic equilibrium) 또 는 단순히 평형이라고 한다. 4.1절에서 보았던 화학 평형은 서로 반대되는 과정이 화학 반응인 일종의 동적 평형이다.
증발과 응축이 같은 속도로 일어날 때, 액체와 그의 기체는 동적 평형에 놓여 있게 된다. 이런 평형 상태에서는 계의 변화가 없기 때문에 아무런 일도 일어나지 않는 것처럼 보일 수도 있다. 그러나 실제로는 분자가 끊임없이 액체 상태에서 기체 상태로, 기체 상태에서 액체 상태로 움직인 다. 어떤 액체의 증기 압력은 액체 상태와 기체 상태가 동적 평형에 놓여 있을 때, 그 증기에 의하여 형성된 압력이다.
출처: 브라운 일반화학 p512

4-2. 온도에 따른 물의 증기압 경향성

그림 11.28은 H2O의 상도표를 나타낸 것이다. 압력의 범위가 넓기 때문에 압력을 로그 값으로 나 타낸다. H2O의 융해 곡선(푸른색 선)은 이례적으로 압력이 증가할수록 왼쪽으로 비스듬히 기운다. 이는 압력이 증가할수록 물의 녹는점이 낮아짐을 보여 준다. 11.2절에서 배웠던 것과 같이, 물은 고체 형태일 때보다 액체 형태일 때 더욱 조밀한 특징을 갖는 물질이기 때문에, 흔치 않은 특징 을 보여 준다.
만일 압력이 101.3 kPa으로 고정된다면, 상도표에서 고체상이 액체상을 거쳐 기체상으로 이동 하는 것은 온도의 변화에 의해 가능하다. 이는 일상적으로 물을 접하면서 예상하는 결과와 일치한다. H2O의 삼중점은 비교적 낮은 압력인 0.611 kPa으로 떨어진다. 이 압력하에서 액체 상태의 물은 안정하지 않으며, 열이 주어지면 얼음이 기체 상태로 승화한다. 이러한 물의 성질은 '동결- 건조(freeze-dry) 음식과 음료에 이용된다. 음식이나 음료수는 0도씨 이하에서 냉동된다. 그 다음 낮은 압력실(0.611 KPa 아래)에 놓고 따뜻하게 해 주면 동결된 물이 승화되고, 탈수된 음식과 음료만 남게 된다.

출처: 브라운 일반화학 p515 ~ p 517

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

[기구와 시약]

- 시약
KClO3
MnO2
NaHCO3

- 기구
시험관, 메스실린더, 고무마개, 클램프, 스탠드, 고무관 2개, 파라필름, 비커, 삼각플라스크, 온도계, 물체 받침대

5-1. KClO3(염소산 칼륨)

물리적 특성

몰 질량: 122.55 g/mol
녹는 점: 약 368도씨
끓는 점: 약 400도씨
색상: 무색 결정 또는 백색 분말 형태로 존재

화학적 특성

KClO3는 고체 상태에서 안정한 화합물로서 산화제로 작용
높은 농도에서 염소산칼륨은 자연적으로 폭발할 수 있음
염소산칼륨은 산소와 접촉하면 매우 쉽게 인화되며, 이는 화재 위험을 야기할 수 있음
염소산 칼륨(kalium, potassium chlorate) 또는 염소산 포타슘은 KClO3 분자식을 지닌 화합물로, 칼륨, 염소, 산소 원자가 포함되어 있다. 순수 형태에서는 흰 결정 물질이다. 산업용으로 가장 흔한 염소산염이다. 광택이 있는 무색의 단사정계 결정이며 혼합폭약으로 쓰일 정도로 마찰과 충격에 예민해 잘 폭발한다. 더 가열하면 산소를 방출하고 전부 염화칼륨이 된다. 이 반응은 이산화망가니즈 MnO2와 같은 금속산화물을 가하면 촉진되어 70°C에서 산소를 발생하기 시작하므로, 실험실 등에서 산소를 얻기 위해 이용된다. 단, 유기물·황·탄소 등이 혼입되면 폭발하므로 주의해야 한다. 흡습성은 없다. 물에 녹고, 알코올에도 소량 녹는다. 중성 및 알칼리성 용액에서는 산화작용이 없으나, 산성 용액에서는 강한 산화제가 된다.

위험성

KClO3는 화재와 폭발의 위험이 있는 물질로 간주됩니다. 높은 열 또는 화염과의 접촉은 폭발을 유발할 수 있습니다.
또한, 염소산칼륨은 강한 산화제이므로 인화성 물질과 접촉 시 화학 반응을 일으킬 수 있습니다.
피부, 눈, 호흡기에 대한 자극성이 있으며, 흡입하거나 흡수될 경우 건강에 해로울 수 있습니다.
KClO3는 환경에 대한 위험이 있으며, 물 속에 배출되면 수질 오염을 일으킬 수 있습니다.

출처: 위키백과 검색어 '염소산 칼륨'
MSDS검색어 '염소산칼륨' (검색후 정리)

5-2. MnO2(Manganese dioxide)

물리적 특성

몰 질량: 86.94 g/mol
외관: MnO2는 검은색 또는 갈색 분말 형태로 존재
녹는 점: 약 535°C
끓는 점: 약 1962°C
밀도: 약 5.026 g/cm³ (25°C)

화학적 특성

MnO2는 산화망간으로, 주로 산화제 또는 촉매로 사용
화학식 MnO2는 망간의 +4 산화수를 가짐
일반적으로 공기 중에서 안정하게 존재하며, 강한 산과는 반응하지 않음, 그러나 강산과는 반응하여 망간(II) 이온을 생성할 수 있음
MnO2는 산화력이 있어서 많은 물질의 산소를 공급하거나 전자를 빼앗아 산화 반응을 일으킴
이산화 망가니즈(Manganese dioxide, Manganese(IV) oxide, MnO2)는 금홍석 구조를 갖는 화합물이다. 회색 또는 흑갈색 분말이며 천연에서 파이로루스광으로서 산출된다. 정방결정계에 속하면서 결정은 루틸형 구조이다. 전기가 잘 통하고 물에는 거의 녹지 않지만 묽은 산과 함께 있을 경우 환원제에 의해 환원된다.
염소산칼륨이나 과산화수소의 분해 반응 시 사용되는 이산화망가니즈는 산소 기체가 쉽게 발생되도록 도와준다. 이산화망가니즈는 분해 반응에 직접 관여하는 것이 아니라 그 분해 반응이 빨리 일어나도록 도와주기만 하고 자신은 반응 전과 반응 후의 질량이나 성질에 전혀 변화가 없는 반응속도만을 빠르게 하는 정촉매로 작용한다.
산화제, 망가니즈산염의 원료, 물감의 제조, 유약, 성냥, 전지, 유리공업, 보일러의 제조 등 여러 분야에서 사용된다.

위험성

MnO2는 일반적으로 비독성이지만, 고농도의 미세 입자로 인한 호흡기 문제를 일으킬 수 있습니다. 먼지나 분말을 흡입하거나 흡착할 경우 호흡기 문제가 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다.
또한, 긴 시간 동안 노출될 경우 폐에 미세 입자가 축적되어 호흡기 문제를 유발할 수 있습니다.
다량의 MnO2를 삼킨 경우 위장 장애를 일으킬 수 있습니다.
연소하거나 가열할 때 산소를 방출하며, 불에 잘 타기 때문에 화재 위험이 있습니다.

출처: 위키백과 검색어 '이산화 망간'
MSDS검색어 '이산화 망간' (검색후 정리)

5-3. NaHCO3(탄산수소 나트륨)

물리적 특성

몰 질량: 84.01 g/mol
외관: NaHCO3는 백색 결정 또는 분말로 존재합니다.
녹는 점: 약 50°C
끓는 점: 분해하여 탄산나트륨(Na2CO3), 물, 이산화탄소(CO2)로 분해 되므로 끓는 점은 없음
용해도: NaHCO3는 물에 잘 녹습니다.

화학적 특성

NaHCO3는 중탄산 염으로, 탄산이 수소이온(H+)과 결합한 형태
중탄산소다는 산성 물질과 염기성 물질 사이에서 중성을 나타냅니다. 중성 조절 및 중화 작용에 사용
열 분해에 의해 탄산나트륨(Na2CO3), 물(H2O), 이산화탄소(CO2)로 분해됨
탄산수소 나트륨(NaHCO3)은 일종의 화합물로 안정한 상태이다. 베이킹소다, 중탄산 나트륨, 중탄산 소다라고도 한다.
상온에서는 백색의 분말 상태로, 약간 쓰고 짠맛이 난다. 과량을 사용하면 피부를 부식시킨다. 의약품으로는 위산 과다에 대한 제산제로 쓰인다. 식품 및 미용제에도 쓰인다.백색의 단사정계 결정으로 가열하면 이산화탄소와 물을 발생시키고, 탄산나트륨 무수물로 변하는 성질을 지녔다.

용도

공업적으로는 탄산 나트륨 제조(솔베 공정) 때 중간물질로 생성되며, 용도는 제산제 등의 의약품이나 베이킹파우더나 탄산가스 발생제 등이다.
의학적으로 특히 산증 환자, 즉 대사성 산증(metabolic acidosis) 환자에게 사용하며, 환자의 상태가 치명적인 상황일 때 응급약물로서 사용하기도 한다. 환자가 critical, 사망에 임박한 쇼크 상태가 되면 대사성 산증 상태가 되고, 대사성 산증 상태가 심하면 이 자체로 체내의 수액-이온 균형을 비롯하여, 효소의 작용을 방해하므로 악화되므로 산증을 치료하기 위한 약물로 사용한다.
연마 및 흡착 작용을 활용해 냄새 제거 및 세척용으로 활용되기도 한다. 하지만 다른 세제에 비하면 세척력이 떨어지고, 구연산이나 식초와 혼합해 사용하는 방법이 있다고 알려지나 이 경우 효과를 기대할 수 없다.

위험성

탄산수소 나트륨은 대체로 안전한 물질로 간주됩니다. 그러나 고농도로 노출되거나 오용된 경우 일부 위험이 있을 수 있습니다.
가장 일반적인 위험은 산성 물질과 접촉할 때 발생합니다. NaHCO₃는 중화 작용을 하며, 산성 물질과 반응하여 이산화탄소(CO₂)를 방출할 수 있습니다. 이 과정에서 이산화탄소의 높은 농도는 환기가 제한된 공간에서 호흡곤란이나 진행성 호흡기 질환을 유발할 수 있습니다.
가령, NaHCO₃를 산과 함께 사용할 때, 반응에 의해 많은 양의 이산화탄소가 생성될 수 있으므로 적절한 환기를 유지하고 산안전을 준수해야 합니다.

출처: 위키백과 검색어 '탄산수소 나트륨'
MSDS검색어 '탄산수소 나트륨' (검색후 정리)

6.[실험방법]이번 시험에서 사용하는 KClO3와 NaHCO3는 아래와 같은 반응을 진행한다. 빈칸을 채우시오.

① 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 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. 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 3cm로 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 1기압, 물의 온도는 25℃로 가정한다. 이 온도에서의 물의 증기압을 확인한다.
⑫ 1g NaHCO3와 0.1g의 MnO2를 넣고 같은 방법으로 실험한다.
⑬ 실험은 각 2회씩 진행한다.

6-A.

2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)

NaHCO3(s) → NaOH(s) + CO2(g)

(반드시 상태표시를 하자!)

7. 출처

https://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=308141486 

Brown 일반화학 (일반화학교재연구회)

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

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색