[화공기초실험]염화칼슘의 용해열측정

실험 목적

염화칼슘(CaCl2)의 용해열을 수열량계를 사용하여 측정

실험 이론 및 원리

1. 용해도

일정한 온도에서 일정량의 용매에 용해될 수 있는 최대한의 용질의 양을 물질의 용해도(solubility)라 한다. 용매 100g에 녹 일 수 있는 용질의 g수.

용해도는 물질에 따라 다르므로 그 물질의 특성이 된다. 또 같은 물질이라 하더라도 용매의 종류에 따라 용해도가 달라진다. 용매가 물인 경우는 잘 녹지 않으나 에테르나 알코올인 경우에는 잘 녹는 물질도 있다. 

1) 용매 : 용액 성분 중에서 과량으로 존재하는 물질

2) 용질 : 용매에 용해하여 용액을 만드는 물질

3) 용액 : 두 종류 이상의 순물질이 균일하게 섞여 있는 상태

 

2. 용해도에 영향을 미치는 요인

1) 용매입자와 용질입자의 고유성질과 입자들 간의 상호작용

분자 간에 작용하는 힘의 종류와 크기가 같은 물질들끼리 서로 잘 녹는다.

 

2) 온도

흡열반응의 경우 온도가 증가하면 용해도는 증가한다. 열을 방출하는 발열반응의 경우 온도의 증가는 용해도의 감소를 가져온다.

 

3) 기체용질의 압력

압력은 기체-액체에 대해서만 용해도에 큰 영향을 준다. 주어진 온도에서 압력의 증가 는 기체의 용해도 증가를 가져온다. 낮은 온도에서 중간 정도의 압력 범위까지 기체의 용해도는 압력에 정비례한다.

 

3. 용해도법

물질의 용해도는 평형 상수의 특수한 경우이므로 Van't Hoff 방정식을 적용할 수 있다. 방정식을 용해도에 적용하면 다음 식으로 나타낼 수 있다.

log(S2/S1) = ∆H/2.303R(1/T1 - 1/T2)

S1, S2 : 각각 온도 T1, T2에서의 용해도

∆H : 그 온도 범위에서의 평균 용해열

R : 기체상수. 8.31451J/㏖․K

 

4. 용해열

용해과정은 거의 항상 에너지의 흡수 또는 방출을 수반한다. 예를 들어 브롬화칼륨이 물에 녹으면 그 용액은 차가워지는데, 이것은 브롬화칼륨의 용해과정이 흡열반응이라는 것을 나타낸다. 이와 반대로 염화리튬이 물에 녹으면 용액은 따뜻해지며, 이 경우에는 용해 과정이 열을 발생시키는 발열 반응이라는 것을 나타낸다. 어떤 물질이 용해될 때 흡수하거나 방출하는 에너지의 양을 용해열이라고 한다. 고체 또는 액체의 용질 1mole이 다량의 용매에 녹을 때 생기는 발열(+), 흡열(-)의 열량.

q = K(t2-t1)

K(cal/℃) : 수열량계 전체의 열용량(수열량계 안의 물의 열용량+물 이외의 물질의 전열용량)

용질 1mole 당 용해열 Q는

Q=q(M/w)

M : 용질의 화학식량, w : 용질의 질량

수열량계 전체의 열용량 K는 다음을 포함한다.

1) 비이커의 열용량 : 비이커의 무게에 유리의 비열 0.19를 곱한 값

2) 물의 열용량 : 보통의 실험에서 1로 계산

3) 각반봉의 물에 잠기는 부분의 열용량 : 물에 잠기는 부분의 체적을 계산하여 상온에서의 밀도를 곱하여 중량을 계산 후 중량에 각 반봉 재질의 비열을 곱한 값

4) 온도계에서 물에 잠기는 부분의 열용량

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

메스실린더, 비커, 수열량계, 온도계, 수저, 전자저울, 흰 종이, 염화칼슘, 증류수

실험 방법

1. 실험 과정

1) 수열량계 뚜껑을 열고 내부를 알루미늄비커만 꺼내서 물로 씻어주고 적당히 건조시킨다.

2) 매스실린더를 이용하여 증류수 100㎖를 수열량계에 넣는다. 이 때 온도계가 증류수에 잠기는지 꼭 확인한다.

3) 뚜껑에 있는 각반봉을 잘 흔들면서 30초마다 온도를 측정한다.

4) 가열된 증류수 100㎖를 넣고 그 전과 같은 방법으로 온도를 측정한다.

5) 온도를 측정한 후 내부에 물을 담아서 적당히 건조시킨후 열을 외부와 평형 상태로 맞추어 준다.

6) 상온 증류수 100㎖를 넣고 온도를 측정하고, 여기에 염화칼슘(CaCl2)을 넣고 30초마다 온도를 측정한다.

실험 결과

1. 결과 data

1) 가열된 증류수

Ta= 22.5, Tb= 45, Tc= 38.7

sec	Tb	Tc	sec	Tb	Tc
30	40.2	39.2	180	39.8	39
60	40	39	210	39.8	38.9
90	40	39	240	39.7	38.9
120	40	39	270	39.5	38.8
150	39.9	39	300	39.3	38.7

100(Tb - Tc) = (100 + Cw)(Tc – Ta)

100(45 - 38.7) = (100 + Cw)(38.7 - 22.5)

Cw = -61.2

 

2) 상온 증류수

T1 = 22.8, T2 = 26

sec	T2	sec	T2
30	25.8	150	26
60	25.8	180	26
90	25.9	210	26
120	25.9	240	26

Q= (Cw + w)(T2 – T1)(M/W) = (-61.2 + 100) (26 - 22.8) (110.9/2) = 6884.672

토의 사항

1. 실험 고찰

물질이 반응을 할 때는 흡열반응과 발열반응이 일어난다. 용해열은 어떠한 물질이 용해될 때 필요한 열을 용해열 이라고 한다. 흡열반응이면 용해열은 마이너스가 된다. 왜냐하면, 주 위로부터 에너지를 흡수하기 때문이다. 반대로 발열반응이면 그 반대가 된다. 용해열은 반 응하는 모든 식에서 일어나는 현상이다. 

본 실험에서는 온도측정이 중요하기 때문에 가열 된 증류수에서 다시 상온증류수 온도를 측정할 때에는 수열량계에 물을 부어 식혀주어서 외부와 열적인 평형상태를 이루는 것이 중요하다. 염화칼슘은 겨울에 제설작업을 하는데 많이 쓰이는 화학물질로써 아주 친숙한데 그 원리를 알고 나니까 좀더 친숙해진 것 같은 느 낌이 들고 다른실험에서 염화칼슘을 지시약으로 쓰면 좀더 잘 효율적으로 실험을 해 나갈 수 있을 것 같은 자신감이 생겼다.