[일반화학실험]온도측정과 온도계 보정 및 미지시료의 끓는점

실험 목적

1. 실험실에서 사용하는 온도계는 부정확한 경우가 많습니다. 그러므로 정확한 온도의 측정을 위해서 온도계의 보정이 필요합니다.

2. 보정된 온도계의 온도를 통해 미지시료의 끓는점을 알아봅니다.

실험 이론 및 원리

1. 온도를 나타내는 척도

1) 절대온도(K)

절대온도는 열역학의 제 2법칙에 따라 정해진 온도입니다. 2개의 열원 간에 있는 어떤 종류의 물질을 써서 가역사이클을 실현시켰을 때, 열효율은 작업 물질의 종류에 관계없이 두 열원의 온도 T1, T2로 결정되는 것이 열역학제 2법칙에 의해 증명됩니다. 따라서 높은 쪽의 온도 T1을 기준으로 하면 다른 온도 T2는 이 사이클의 열효율에 의해 정해지며 T1에서 작업물질로 바뀐 열량을 Q1, T2에 부여한 열량을 Q2라 하면 T2=T1Q1/Q1, 또는 T2/T1=Q2/Q1이라는 관계가 성립됩니다. 이러한 관계에 의해 정의된는 온도가 바로 절대온도입니다.

국제도량형 총회에서는 모든 온도 측정의 기준이 될 기본적인 온도로서 이 절대 온도를 채택하고 있습니다. 섭씨, 화씨, 열씨 온도 등과는 달리 물질의 특별한 상태와 관계가 없는 것이 절대온도의 특징입니다. 온도눈금의 간격을 정함에 있어 예전에는 물의 녹는 젊과 끓는점을 기준으로 해서 1백 등분한 것을 1도의 온도차로 하는 방법이 채택돼 있었습니다. 그러나 1954년 국제도량형총회에서 물의 3중점(공기가 함께 있지 않는 기체상·액체상·고체상의 평형점)을 273.16K로 정해 이를 기준으로 열역학적 온도의 수치를 정하도록 결정했습니다.

이에 따르면 물의 녹는점은 273.16K, 끓는점은 373.15K입니다. 또한 절대온도 0도는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저의 온도로서 분자의 열운동은 이 온도에서 완전히 지정된다고 여겨지고 있습니다.

 

2) 섭씨온도(℃)

기압에서 물의 어는점을 0℃로, 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분한 온도입니다. 단위 기호는 ℃입니다. 1742년 스웨덴의 천문학자이자 물리학자인 A.셀시우스가 창시한 한란계에서 기원하기 때문에 셀시우스도라고도 합니다. 섭씨온도에 대한 다음과 같은 2가지 항목이 셀시우스의 논문에서 토의됐습니다.

① 물의 삼중점을 섭씨 0.01℃로 정의합니다.

② 섭씨에서℃를 이상기체 상태 온도의 도와 일치시키도록 합니다.

국제단위계에서는 -273.16℃가 절대영도인 절대온도(K)를 채택하고 있으나, MKS단위계와 MTS단위계에서는 섭씨온도를 사용합니다. 섭씨온도에서 물의 끓는점는 대기압 하에서 99.975도를 나타냅니다. 섭씨를 화씨로 전환시키기 위해서는 1.8배를 곱한 다음 32를 더해 줍니다. 즉, F=1.8℃+32입니다.

 

3) 화씨온도(F)

파렌하이트 온도라고도 합니다. 17세기 북이탈리아에서 액체를 봉입한 유리제 온도계를 발명하였습니다. 그 기술을 활용하여 1724년 독일의 파렌하이트가 최초로 사용하기 시작한 온도눈금으로, 이 때부터 온도 계측이 가능하게 되었다. 화씨는 중국음에 맞춘 단어입니다. 국가별로는 영국이나 미국에서 주로 사용하며, 과학적으로 이 온도눈금을 사용하는 경우는 많지 않습니다. 단위는 ℉를 사용합니다. 1기압의 대기에서 물의 어는점(0℃)을 32℉ 끓는점(100℃)을 212℉로 정하고, 이를 180 등분한 눈금입니다.

 

2. 온도계 보정의 원리

화학실험실에서 사용하는 온도계는 착색된 알코올이나 수은을 사용하는 것으로 진공의 모세관에 액체를 넣어 액체가 차지하는 모세관의 높이로 부터 온도를 읽을 수 있다록 되어 있습니다. 온도를 정확히 측정하기 위해서는 온도계의 끝부분의 액체구가 시료와 충분한 시간동안 접촉하여 열적평형을 이루면서 정류상태에 도달 해야 합니다. 

섭씨온도계의 눈금은 순수한 물의 끓는점과 어는점을 기준으로 새겨져 있으나 흔히 부정확한 경우가 많습니다. 따라서 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 온도계의 눈금을 확인하고 보정하여야 합니다. 물의 끓는점은 압력에 따라 달라진다. 온도계로 물의 어는점 t'와 끓는점t"를 구하면 온도계 보정식으로 측정된 온도 t에 대응 하는 보정된 온도 T를 구할수 있습니다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

① 온도계(-20℃ ~ 110℃), 비커 (250㎖,500㎖)

② 끓는점 측정장치 (스탠드, 링, 클램프, 석면망, 큰튜브, 고무마개, 유리관)

③ 버너, boiling Stone(끓임쪽)

④ 시약 : 증류수, 얼음, 미지시료,

 

실험 방법

1. 온도 측정과 온도계 보정

① 비커에 잘게 부순 얼음을 충분히 널고 증류수를 얼음이 잠길 정도로 부은 뒤 잘저어 줍니다.

② 온도계를 조심해서 얼음물에 담그고 2~3분 정도 기다립니다.

③ 온도계의 눈금이 일정한 자리에서 머물게 되면 그 값을 소수점 아래 첫 자리까지 읽고 기록합니다.(물의 어는점 t0)

④ 끓는점 측정장치를 준비하고 증류수를 소량 (밑바닥으로부터 2~3㎝높이) 되도록 넣습니다.

⑤ 온도계의 수은(알코올)구를 증류수의 수면보다 약간 높은 위치에 고정한 다음 서서히 가열합니다.

⑥ 온도계의 눈금이 일정한 위치에 머물게 되면 그 값을 소수점 아래 첫 자리까지 읽고 기록합니다.(물의 끓는점 t100)

⑦ 다음 식을 사용하여 측정한 온도 t에 대응하는 보정된 온도 T를 얻을 수 있습니다.

T= t100-t0/Tb(t-t0) 이때 Tb=100℃(실험실 압력에서 측정한 물의 끓는점)

 

⑧ 미지시료의 끓는점을 위와 같이 측정하여 기록하고 어떤 물질인가 확인합니다.

 

2. 끓는점 측정

① 아래 그림과 같이 기구를 장치합니다

그림 1. 끓는점 측정장치

② 시험관에 미지시료를 넣습니다. 이때, 온도계의 수은구가 액체의 표면에서 2-5mm정도 떨어지도록 조절합니다.

③ 끓임쪽 (boiling stone)을 넣고 가열합니다.

④ 온도변화와 액체 상태를 자세히 관찰하여, 온도가 일정하게 유지되는 온도인 끓는점을 측정합니다.

⑤ 미지시료가 무엇인지 확인합니다.

*마개에 구멍을 만들어 액체의 증기가 빠져 나갈 수 있도록 하여야 합니다.

실험 결과

1. 결과 분석

실험횟수 : 1회

증류수의 끓는점 : 98.5℃ (측정시간 10분)

증류수의 녹는점 : 0.2℃ (측정시간 2분)

미지 시료의 끓는 점 : 76.5℃(측정시간 15분)

 

온도계의 끓는점 녹는점이 참값인 100와 0도와의 차이가 있으므로, 다음 식을 사용하여 측정한 온도 t에 대응하는 보정된 온도 T를 얻을 수 있습니다.

T=t100-t0/Tb(t-t0) 이때 Tb=100℃(실험실 압력에서 측정한 물의 끓는점)

T=98.5℃-0.2℃/100 (76.5℃ -0.2℃) = 77.6℃

 

미지 시료의 끓는 점, 참값과 표를 통해 확인 할 수 있는 결과로는, 실험에서 사용된 미지 시료는 사염화탄소라는 것입니다.

그림  2 여러 가지 화합물의 물리적 성질

토의 사항

1. 실험 고찰

정확한 실험을 위해서는 온도계의 보정이 필요합니다. 왜냐하면, 대기압에 따라 온도계의 끓는점이 달라지거나 (압력이 높아지면 물의 끓는점이 높아지고, 반대로 대기압이 낮다면 물의 끓는점역시 낮아지기 때문에, 실험에 오차가 생긴다.) 온도계 자체의 부정확성으로 인해 온도계의 온도에 오차가 발생합니다. 그러므로, 온도계의 보정값으로, 끓는점이 측정된 미지시료의 보정된 온도인 T를 얻을 수 있습니다. 

2. 결론

본 실험은, 온도계(-20℃~110℃)와 끓는점 측정장치를 이용해, 물의 녹는점과 끓는점을 측정하고, 그에 따른 오차를 보정해주는 보정식인 T=t100-t0/Tb(t-t0) 이때 Tb=100℃를 이용해 측정한 미지시료의 온도를 대입하여, 그 온도에 따른 정확한 측정값(보정온도)를 알아보고, 더욱 정확한 온도측정방법을 습득하는것에 목적을 두고 있습니다. 실험결과, 물의 녹는점이 0.2℃, 물의 끓는점이 100℃, 미지시료의 끓는점이 76.5℃ 이므로, 이 미지시료는 사염화탄소 (끓는점 77℃)사로 사료됩니다.