[물리화학실험]순수한 액체의 증기압(The Vapor Pressure of a Pure Liquid) 2부

실험 방법

1. 실험 과정

1) 측정을 하기 위해 정해진 액체를 가열 플라스크에 약 3.5㎝깊이로 넣는다.

2) 돌비를 방지하기 위해 비등석을 넣는다. 온도계와 함께 마개를 한다. 냉각기를 물이 나오는 곳에 연결한다.

3) 계는 장치내의 압력이 약 400mmHg로 될 때 까지 진행한다. 코크 A를 닫고 액체는 끓는점이 변하지 않아 일정 온도를 읽을 수 있을 때 까지 가열한다.

4) 액체의 온도, 실내온도, 수은기압계의 수은주의 높이 그리고 대기압을 기록한다.

5) 약 3㎝정도의 압력을 증가시키기 위해 천천히 그리고 주의 깊게 코크 A를 연다. 다시 끓는점을 측정한다. 계속하여 3㎝정도의 압력을 높이고 각 압력에서의 끓는점을 측정한다.

6) 대기압 이상의 압력으로 실험하려면, 폭발을 방지하기 위해 온도계와 마개를 철선으로 묶고, 내부압력을 약 1300mmHg로 증가시키기 위해 수동식 펌프를 사용한다. 각 압력에서의 비등점을 읽으면서, 다시 대기압으로 될 때까지 3㎝의 감소량으로 압력을 낮추어라.

주의 사항

실험 중 장치를 가열하게 되는데 이때 너무 심하게 끓는 현상, 즉 돌비현상을 방지하기 위해서 끓임 쪽 또는 기타 장치가 필요하게 된다. 돌비현상이 일어날 시 실험에 있어서 위험할 수도 있고 만약 실험이 계속 진행되었다고 해도 그 결과 값이 실험 전 우리가 원했던 값과 다르게 나와 오류를 범할 수도 있기 때문이고, 화학실험에서 가장 중요한 것이 안전이기 때문에 항상 주의를 기울이며 위험에 대한 예방을 철저히 하여야 한다. 그리고 압력이 높아짐에 따라 끓는점도 높아진다는 것을 실험을 통해 정확하게 알아볼 것이다.

실험 결과

1. 결과 분석

1) Acetone

	온도			증기압
T1	71℃	344.15K	P1	8㎝	1560mmHg
T2	63.7℃	336.85K	P2	1.4㎝	900mmHg

 

1/T1	0.00291	lnP1	7.352
1/T2	0.00297	lnP2	6.802

증기압 결과

∘ 문헌값 : 29.10kJ/㏖           ∘ 실험값 : 45.73kJ/㏖

∘ 절대오차 = ┃실험값 – 이론값(문헌값)┃ = ┃45.73kJ/㏖ - 29.10kJ/㏖┃ = 16.63kJ/㏖

∘ 상대오차 = (절대오차/이론값)×100 = (16.63/29.10)×100 = 57.15%

2) Ethyl Alcohol

	온도			증기압
T1	78℃	351.15K	P1	11㎝	1860mmHg
T2	59.3℃	332.45K	P2	2.8㎝	1040mmHg

 

1/T1	0.00285	lnP1	7.528
1/T2	0.00301	lnP2	6.947

증기압 계산

∘ 문헌값 : 38.56kJ/㏖            ∘ 실험값 : 30.20kJ/㏖

∘ 절대오차 = ┃실험값 – 이론값(문헌값)┃ = ┃30.20kJ/㏖ - 38.56kJ/㏖┃ = 8.36kJ/㏖

∘ 상대오차 = (절대오차/이론값)×100 = (8.36/38.56)×100 = 21.68%

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 액체의 증기압을 동적인 방법으로 측정하여 평균 증발열을 계산하고 그 이론값과 비교하여 오차를 구하는 것이다. 동적인 방법은 액체에 일정한 압력을 가하고 그 하에서 액체의 끓는점을 측정하는 방법이다. 이와 유사하게 정적인 방법이 있다. 정적인 방법은 임의로 선택한 온도 하에서 증기압을 측정하는 방법이다. 물은 1기압에서 100℃에서 끓는데 압력이 낮아지면 더 낮은 온도에서 끓게 되는데 그것은 물의 증기압이 낮아지기 때문이다. 물의 증기 압력과 외부의 압력이 같아지게 되면 물이 끓는데 외부의 압력이 낮아지면서 그만큼 낮은 압력에서 평형을 이룬다. 이런 관계를 설명하는 식이 Clausius-Clapeyron이다.

실험에서 동적 증기압 측정 장치를 설치하는 데 있어서 플라스크 속의 물이 끓으면서 생긴 수증기가 넘어가는 것을 막기 위해 다시 물로 응축시켜 플라스크 속으로 떨어뜨리는 heat exchange가 있다. 그리고 이것으로도 물이 넘어갔다면 진공펌프로까지 넘어가는 것을 막기 위한 발라스트병이 있는데 이것은 물의 역류를 방지한다. 진공펌프를 이용하여 원하는 압력으로 조절해 주는데도 압력게이지를 다는 이유는 진공펌프만으로는 정확하지 않기 때문에 실제 압력을 알게 하기 위해서이다.

실험에서, 우선 아세톤의 증발열은 45.73kJ/㏖로 이론값인 29.10kJ/㏖와 비교하면 많은 오차를 나타냈고 에틸알코올의 증발열은 30.20kJ/㏖로 이론값인 38.56kJ/㏖와 비교하면 아세톤보다 작은 오차를 나타냈다.

오차의 원인을 살펴보면 저 대기압을 정확히 고려하지 않았다는 것이다. 계산에 필요한 것은 절대압력이므로 외부압력으로 보정해주어야 한다. 여기서는 대기압을 1기압이라고 가정하여 계산하였으므로 오차가 발생하게 된다. 두 번째로는 온도를 처음에 너무 높임으로 인해서 정확한 끓는점을 잡아내기가 힘들었으며 플라스크의 병 쪽에서만 끓는 현상이 일어나는 것처럼 보이기도 했다. 미리 계산으로 끓는점을 어림잡은 후 그 부근에서 천천히 가열하는 것이 좋다고 본다. 

세 번째로는 온도가 일정한 점을 끓는점으로 보았는데 이 경우 계속 압력이 상승하고 온도도 계속 올라가게 된다. 따라서 정확히 끓기 시작하는 점을 끓는점으로 보는 것이 옳다. 마지막으로는 새지 않도록 파라필름과 테플론으로 이음새를 막아주었는데 온도가 높아지면서 한쪽에서 파라필름이 녹아 조금씩 새게 되었다 이게 가장 큰 오차의 원인이 되었는데 이음새를 구리스로 잘 펴 바른 후 파라필름은 낮은 온도에서 녹으므로 파라필름보다 테플론으로 감아주어야 한다.

아세톤이 에틸알코올보다 더 오차가 많이 나타난 이유는 에틸알코올도 증발이 많이 되는 물질이지만 아세톤은 더 증발이 잘 일어나기 때문에 처음에 온도계에 닿을 정도의 양을 2-neck 플라스크에 넣었는데 실험을 하기까지 증발된 것 때문에 온도계에 거의 닿지 않을 정도가 되었다. 교반기까지 돌리니까 온도계가 거의 닿지 않았는데 아마 이 때문에 오차가 더 크게 났던 것 같다.

한 가지 아쉬운 점이 있다면 두 가지 액체시료의 증기압만 측정한 것이다. 여러 가지 순수한 액체의 증기압을 측정해보고 이론값과 측정값을 비교해보면 이 실험의 이해에 많은 도움이 될 것이라고 생각된다.

 

[Chemistry/물리화학] - [물리화학실험]순수한 액체의 증기압(The Vapor Pressure of a Pure Liquid) 1부