[일반화학실험]이산화탄소의 분자량 1부

실험 목적

1. 드라이아이스를 사용해 1기압의 이산화탄소를 채운 플라스크를 만들고, 이산화탄소의 질량 및 플라스크의 부피를 이용해 이산화탄소의 분자량을 결정한다.

2. 이상기체 상태방정식을 활용한 방법으로도 이산화탄소의 분자량을 결정해보고, 공기와 이산화탄소의 밀도를 비교해 본다.

3. 타이곤 튜브를 활용해서 고압에서 이산화탄소의 액화 현상을 확인한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

본 실험은 아보가드로의 법칙(Avogadro´s Law)과 이상기체방정식을 통해서 분자량을 결정짓는 일련의 과정을 통해서 이루어진다. 자유아카데미에서 출판한 일반 에서는 아보가드로의 법칙에 대해 이렇게 설명하고 있다.

 

아보가드로의 법칙(Avogadro´s Law)은 온도(T)와 압력(P)이 일정할 때 양(n)에 일직선으로 이상기체의 부피가 변화하는 것을 설명한다. 1809년 프랑스 과학자(Joseph Gay Lussac, 1778-1850)이 서로 반응해서 기체 생성물을 형성하는 기체의 부피를 측정하는 몇 가지 실험을 행하였다. 그는 일정 온도와 압력에서, 반응기체의 부피는 항상 작은 정수비가 된다는 것을 발견했다. 이것은 결합 부피의 법칙(law of combining volume)으로 알려져 있다. 1811년에(Amodeo Avogadro)는 제안했는데, 게이 뤼삭의 관찰은 실제로 동일 온도와 압력 조건에서 동일 부피를 갖는 모든 기체는 동일 분자수를 갖는다는 것을 보여준다고 하였다.

 

위의 내용처럼 1811년에 아보가드로에 의해서 분자라는 개념 자체가 처음으로 등장하게 되었다. 그는 같은 온도에서 같은 부피의 기체에는 같은 개수의 분자가 들어 있다고 말했는데, 그렇기 때문에 우리는 기체의 밀도를 측정함으로써 분자량을 알아낼 수 있다.

 

우리는 또 이상기체방정식을 사용해서도 분자량을 측정할 수 있는데, 이상기체방정식(Ideal-gas equation)은 보일의 법칙, 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙들을 그 관계를 따져서 합친 결과물로 PV = nRT의 형태를 가지고 있다. 여기서 이상기체(Ideal gas)란, 압력, 부피, 온도의 거동을 완전히 이상기체방정식으로 설명하는 가상적 기체를 말한다.

 

또한, 실험을 통해서 우리는 물질이 기체에서 액체로 변화하는 모습을 지켜보는데, 이는 삼중점을 관찰하는 것이기도 하다. 삼중점은 고체, 액체, 기체가 서로 접하는 특정한 온도 지점을 말한다. 예를 들어 물의 경우, 삼중점은 얼음, 물, 수증기가 서로 접하면서 존재할 수 있는 하나의 특정한 온도이다.

 

2. 이상기체 상태 방정식

이상기체의 특성을 나타낸 식으로, 이상기체의 부피(V), 압력(P), 몰수(n), 온도(T)에 대해 로 나타난다. 여기서 R은 기체 상수라고 불리며, 그 값은 약 0.08206 (L×atm)/(㏖×K) 로 나타난다. 이때 이상기체란 계산을 단순화시키기 위해 실제기체의 여러 특성을 근사하고, 가정한 가상의 기체이다. 이때 이상기체의 주요 가정에는 이상기체의 분자는 점입자이며, 탄성충돌 이외의 상호작용을 하지 않는다는 것이 있다. 이러한 가정에 의해 실제 기체는 온도가 높고 낮은 압력에서 이상기체로 근사 가능하다.

 

3. 상평형도

특정 온도와 기압 등의 세기변수 하에서 물질의 상 사이의 평형상태를 나타낸 도표로 특정한 상태에서 물질이 어떤 상을 가지게 되는지를 나타낸다.

예를 들어 다음과 같은 상평형도에서, 삼중점과 임계점을 잇는 곡선은 기체상과 액체상의 평형 상태를 나타내고, 또다른 곡선은 고체상과 액체상 또는 고체상과 기체상의 평형 상태를 나타낸다. 삼중점에서 물질은 고체상, 액체상, 기체상의 3가지 종류의 상 모두로 존재 가능하며, 임계점보다 더 높은 압력과 온도에서는 물질은 기체 또는 액체로 명확히 구분되지 않으며 초임계유체 상태라고 불린다.

 

4. 실험 요약

실험 1 : 이산화탄소의 분자량 측정

(1기압 실온의 공기) + (플라스크) + (유리판)의 무게를 측정했고, 두번째 측정에서는 (1기압 실온의 이산화탄소) + (플라스크) + (유리판)의 무게를 측정했다. 이때 공기의 무게는 이미 알고 있는 질소, 산소, 아르곤의 분자량을 통해 결정하고, 이를 통해 1기압 실온의 이산화탄소의 무게도 결정할 수 있다. 또한 측정한 플라스크의 부피를 이용해서 이산화탄소의 분자량을 결정한다. 이론적인 데이터에 근거했을 때 이산화탄소의 분자량은 44 g/㏖이 나와야 한다.

 

실험2 : 액체 이산화탄소의 관찰

이산화탄소의 상평형도에 근거했을 때, 이산화탄소는 지표면에서의 대기압에서는 액체상을 가지지 않지만, 압력을 높였을 때에는 액체상을 가질 수 있다. 드라이아이스의 승화가 진행됨에 따라 타이곤 튜브 내의 압력은 올라가게 되고, 충분한 압력이 되었을 때 드라이아이스는 더 이상 승화하지 않고 융해된다. 이 덕분에 이산화탄소의 액체상을 관찰할 수 있고, 타이곤 튜브의 조임새를 풀어 압력을 낮추면 액체 이산화탄소는 기화, 즉 끓게 된다.

 

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 드라이아이스, 망치, 목장갑, 타이곤 튜브, 삼각 플라스크, 유리판, 약수저

2) 메스실린더, 온도계, 스탠드, 니플, 철 조임새, 테프론 테이프

3) 십자 드라이버, 깔때기

 

실험 방법

실험 1 : 이산화탄소의 분자량 측정

1. 공기가 담긴 플라스크 위를 유리판으로 막고 무게를 측정한다.

2. 플라스크에 드라이아이스 한 스푼을 넣고 드라이아이스의 기화를 기다린다. 드라이아이스가 모두 기화하면 플라스크 내부의 온도가 실온과 같아지도록 기다린 다음 유리판으로 플라스크의 입구를 막는다.

3. 플라스크의 무게를 측정한 다음, 플라스크 내부의 온도를 측정한다.

4. 유리판을 사용하지 않고 위의 과정을 반복한다.

5. 물과 메스실린더를 이용하여 플라스크의 부피를 측정한다.

 

실험2 : 액체 이산화탄소의 관찰

1. 타이콘 튜브 양 끝에 조임새를 꽉 끼우고 한쪽 끝은 니플로 막는다.

2. 타이곤 튜브에 대략5㎝ 정도 높이로 드라이아이스를 채운다.

3. 튜브 나머지 한쪽 끝도 니플을 끼우고 조임새로 꽉 조인다. 튜브의 양끝이 서로 닿도록 밀어 넣은 후 파라필름으로 감싸 가스가 새지 않도록 한다.

4. 온도가 올라가는 과정에서 드라이아이스의 액화가 나타나는지 관찰한다. 이때 온도를 빨리 올리기 위해 손으로 문질러 줘도 된다.

5. 액화 현상을 관찰한 후에는 한쪽 조임새를 살짝만 풀어 액화한 이산화탄소를 다시 관찰한다.

 

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