[일반화학실험]밀도 측정 (Densimetry)

실험 목적

나무토막을 물에 넣으면 물 위에 뜨지만, 쇠못을 물에 넣으면 물 속에 가라앉는다. 나무토막이 더 가볍기 때문이라고 흔히들 말한다. 그러나 커다란 통나무는 쇠못보다 더 무겁지만 물 위에 뜬다. 이것은 단순히 물질의 무게가 아니라 물질간의 밀도차이를 통해 이해할 수 있다. 

단위 부피당의 질량으로 표시되는 밀도의 개념과 측정법을 이해함으로써, 자연과학에서 두 물체를 비교하는 과학적이고 합리적인 개념을 숙지한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 밀도

단위부피당의 질량으로 정의되는데 이때의 질량을 일반적으로 g으로 나타내며, 부피는 cc또는 ㎖로 나타낸다. 밀도는 물질의 부피와 질량을 측정하여 이 질량을 부피로 나눔으로써 구할 수가 있다. (밀도=질량(g)/부피(㎖), 1g/㎤ = 0.001kg/0.000001㎥ = 1000㎏/㎥)

물질의 밀도는 그 물질의 특성이다. 밀도는 질량을 부피로 또는 부피를 질량으로 환산하는데 이용된다. 밀도는 온도에 따라서 변화하므로 밀도를 측정할 때에는 반드시 시료의 온도를 함께 측정하여야 한다. 특히 기체의 밀도는 온도에 매우 민감하다.

 

2. 밀도 측정

밀도를 측정하기 위해서는 시료의 질량과 부피를 측정하여야 한다. 질량과 부피의 측정은 화학실험에서 가장 기본적인 조직이다. 0.01g정도의 정밀도를 요구하는 측정에는 어림저울이 사용되고, 더욱 정밀한 질량의 측정에는 화학저울과 같이 정밀한 저울이 사용된다.

 

3. 부피 측정

부피의 측정에는 눈금실린더, 뷰렛, 피펫 등이 사용되며, 눈금실린더보다는 뷰렛이나 피펫이 정밀도가 높은 측정 장치이다. 비커나 플라스크에 표시된 눈금은 정밀도가 매우 낮으므로 정확한 측정이 필요한 경우에는 절대로 사용하여서는 안 된다. 

액체의 부피는 실린더 속에 액체의 시료를 부은 다음 액체 표면의 위치를 관찰하여 측정한다. 메니스커스라고 불리 우는 오목한 표면형태를 나타낸 액체는 메니스커스의 가장 낮은 부분을 관찰하여 읽었을 때 액체의 부피를 알 수 있도록 눈금이 보정되어 있다.

 

4. 내연장법

그림 (b)에서 메니스커스의 위치는 15㎖눈금에 일치한다. 그러나 그림 (c)에서는 메니스커스의 위치가 어떠한 특정한 눈금에 일치하지 않고 눈금사이에 있다. 이러한 경우에 메니스커스 위치는 측정에서 매우 중요한 방법인 내연장법(interpolation)에 의하여 결정한다. 

내연장법은 메니스커스를 사이에 둔 두 눈금을 눈대중으로 10등분하여 메니스커스의 위치를 결정하는 방법을 말한다. 고립에서 메니스커스는 16.4㎖ 위치에 있음을 나타낸다. 이 내연장법은 부피측정에 있어서 매우 중요하다. 내연장법에 의해 읽을 수 있는 유효숫자 수는 부피측정 기구를 어떻게 검정했느냐에 달려 있다.

 

5. 질량 & 무게 측정

질량과 무게는 엄밀한 의미에서는 서로 다르지만 흔히 구별하지 않고 사용한다. 무게는 중력장에 의한 힘으로부터 결정되는 양으로 중력장의 크기가 변화하면 다른 값을 가지게 되며, 스프링을 사용하는 저울을 사용하여 측정할 수 있다.

그러나 질량은 중력장의 세기와 무관한 물체의 고유한 물리적 성질이다. 질량은 같은 중력장 표준화 된 저울추와의 무게를 지렛대의 원리를 사용하여 비교함으로써 얻을 수 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

물(증류수), 메스 실린더, 금속조각(나사), 에탄올 용액, 알루미늄 호일

실험 방법

1. 물의 밀도

1) 깨끗하게 말린 메스 실린더의 무게를 정확하게 측정한다

2) 4-5㎖ 의 물을 메스 실린더에 넣는다

3) 물의 부피를 정확히 읽는다

4) 물이 든 메스 실린더의 무게를 다시 측정한다

5) 물의 밀도를 계산한다

 

2. 에탄올 용액의 밀도

1) ‘실험 가’ 에서 물 대신 에탄올 용액을 사용하여 같은 방법으로 실험을 수행한다

 

3. 고체의 밀도

1) 금속 조각(나사) 약 10g의 무게를 정확하게 측정한다

2) 약 5㎖ 의 물을 메스 실린더에 넣고 정확하게 읽는다

3) 실린더를 약간 기울여 금속 조각을 미끄러지게 넣는다

4) 다시 부피를 정확하게 읽는다

5) 금속의 밀도를 계산한다

6) 반복하여 평균값을 구한다

 

4. 알루미늄 호일의 밀도와 두께 측정

1) 알루미늄 호일을 가로, 세로 10㎝ 가 되도록 정확히 자른다

2) 꼭꼭 뭉쳐서 무게와 부피를 ‘실험 다’ 에서와 같은 방법으로 측정한다

3) 알루미늄 호일의 밀도를 구한다

4) 알루미늄 호일의 부피로부터 단면적으로 나누어 두께를 계산한다

 

실험 결과

1. 물의 밀도

1) 1차 실험

가) 메스 실린더 = 92.29 g

나) 물 5㎖ + 메스 실린더 = 98.32 g

즉, 물 5㎖ = 6.03 g

6.03g/5㎖ = 1.206g/㎤

 

2) 2차 실험

가) 메스 실린더 = 92.42 g

나) 물 5㎖ + 메스 실린더 = 98.49 g

즉, 물 5㎖ = 6.07 g

6.07g/5㎖ = 1.214g/㎤

 

3) 3차 실험

가) 메스 실린더 = 92.27 g

나) 물 5㎖ + 메스 실린더 = 98.43 g

즉, 물 5㎖ = 6.16 g

6.16g/5㎖ = 1.232g/㎤

* 물의 밀도 평균값 = 1.217 g/㎤

 

2. 에탄올 용액의 밀도

1) 1차 실험

가) 메스 실린더 = 92.29 g

나) 에탄올 5㎖ + 메스 실린더 = 97.07 g

즉, 에탄올 5㎖ = 4.78 g

4.78g/5㎖ = 0.956g/㎤

 

2) 2차 실험

가) 메스 실린더 = 92.29 g

나) 에탄올 5㎖ + 메스 실린더 = 97.04 g

즉, 에탄올 5㎖ = 4.75 g

4.75g/5㎖ = 0.95g/㎤

* 에탄올 용액의 밀도 평균값 = 0.953 g/㎤

 

3. 고체(나사)의 밀도

1) 1차 실험

가) 나사 = 5.68 g

나) 물 10㎖ + 메스 실린더 = 103.28 g

다) 나사 + 물 10㎖ + 메스 실린더 = 10.5㎖, 108.94 g → 0.02 g 오차 발생

즉, 나사 = 5.66 g, 0.5 ㎖

5.66g/0.5㎖ = 11.32g/㎤

※ 이론값 : 5.68g/0.5㎖ = 11.36g/㎤

 

2) 2차 실험

가) 나사 = 5.67 g

나) 물 10㎖ + 메스 실린더 = ?

다) 나사 + 물 10㎖ + 메스 실린더 = 10.5㎖, 108.92 g → ? g 오차 발생

즉, 나사 = 5.65 g, 0.5 ㎖

5.65g/0.5㎖ = 11.30g/㎤

※ 이론값 : 5.67g/0.5㎖ = 11.34g/㎤

 

* 고체(나사)의 밀도평균값 = 11.31 g/㎤

※ 이론 평균값 = 11.35 g/㎤

 

4. 알루미늄 호일의 밀도

가) 호일 = 0.37 g

나) 물 5㎖ + 메스 실린더 = 98.40 g

다) 호일 + 물 10㎖ + 메스 실린더 = 10.5㎖, 98.77 g → 오차 없음

즉, 호일 = 0.37 g, 0.3 ㎖

0.37g/0.3㎖ = 1.23g/㎤