[일반화학실험]이산화탄소의 승화열

실험 목적

드라이아이스의 승화열을 측정한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 이산화탄소의 승화열

이산화탄소는 상온, 상압에서 기체로 존재하는 무색, 무미의 물질로 독특한 특성을 가지고 있다. 이산화탄소는 압력이 5.11 기압 이상이 되어야만 액체로 존재할 수 있고, 압력이 낮을 때는 기체, 또는 고체로만 존재할 수 있다.

특히“드라이아이스”라고 부르는 고체 이산화탄소는 -78.5℃ 가 되어야만 증기압이 1기압이 되기 때문에, 상온에서 드라이아이스는 고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 승화현상이 일어난다. 드라이아이스는 승화될 대 주위로부터 상당한 열을 흡수하기 때문에 온도를 낮추기 위한 냉매로 많이 사용된다.

 

2. 상변화

물질이 온도나 압력 등과 같은 외부 변수의 변화에 의해 상(相)을 바꾸는 것. 상전이 (phasetransition)라고도 한다. 상이란 물질의 미시적 구조가 규정된 상태를 가리키며 같은 물질이라도 상이 다르면 물리적 또는 화학적 성질이 다르다. 예를 들면 latm에서 0℃ 이 하의 얼음(고상)에 열을 가해 온도를 높이면 0℃에서 융해되어 물(액상)로 되는 것이 상변 화현상이다. 

기상․액상․고상(일반적으로 고체에는 결정형이 다른 몇 개의 상이 있다) 사이 의 상변화뿐만 아니라 상자성상(常磁性相)과 강자성상(强磁性相) 사이, 상유전상(常誘電相) 과 강유전상(强誘電相) 사이, 합금의 질서상과 무질서상 사이, 금속의 상전기전도상과 초 전기전도상 사이, 액체헬륨의 상유동상과 초유동상 사이 등의 상변화현상이 있다.

이산화탄소의 상평형

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 보온병, 온도계, 깔대기, 풍선, 고무밴드, 유리막대, 알루미늄 호일, 약자사발 & 막자

2. 시약

1) 드라이아이스

실험 방법

실험 A. 뜨거운 물을 사용하는 방법

1. 수돗물 250㎖를 50℃ 정도로 가열하여 보온병에 넣는다.

2. 물을 넣은 열량계(보온병)의 무게를 잰다. (그전에 물을 안 넣은 무게도 잰다.)

3. 50g 정도의 드라이아이스를 수건이나 두꺼운 종이 타월속에 넣은 다음 망치로 두들기고, 막자와 막자 사발로 성탕정도의 크기로 부순다.

4. 약 15g의 드라이아이스 가루를 보온병에 넣는다.

5. 뜨거운 물 60㎖를 넣고 질량을 측정하고 온도를 잰다.

6. 드라이아이스가 든 막자사발의 질량을 재고, 곧바로 뜨거운 물이 담긴 보온병에 부은 다음, 유리막대로 잘 저어준다.

7. 5~10분 정도 기다리면 드라이아이스가 모두 없어지고, 소용돌이도 멈춘다. 이 때 온도계를 물에 잠기도록 다시 넣어서 온도를 측정하여 온도가 더 이상 내려가지 않는 점을 찾는다.

 

실험 B. 차가운 물을 사용하는 방법

1. 보온병에 풍선을 단 깔대기와 온도계가 들어간 구멍을 뚫은 알루미늄 호일을 덮고 거기에 깔대기와 온도계를 꽂는다.

2. 컵속에 차가운 물 100㎖를 넣는다.

3. 완성한 열량계의 질량을 측정한다.

4. 드라이아이스 4~8g을 정확하게 취해서 재빨리 깔대기에 넣는다.

5. 온도가 더 이상 내려가지 않을 때까지 기다린다.

실험 결과

1. 실험 데이터

실험 A. 뜨거운 물을 사용하는 방법

횟수	1회	2회
빈 메스실린더 질량	93.62g
(빈 메스실린더 + 물)의 질량	154.54g	153.35g
물의 질량	60.92g	59.73
드라이아이스의 질량	15g
드라이아이스를 넣은 전의 온도	46℃	46℃
드라이아이스를 넣은 후의 온도	8.5℃	9℃
승화할 때 흡수한 열의 양	2284.5 cal	2210 cal
드라이아이스의 승화열	6.699㎉/㏖	6.481㎉/㏖

 

실험 B. 차가운 물을 사용하는 방법

횟수	1회	2회
빈 메스실린더 질량	93.62g
(메스실린더 + 물)의 질량	193.03g	191.8g
물의 질량	99.41g	98.18g
드라이아이스의 질량	4g
드라이아이스를 넣은 전의 온도	22℃	23℃
드라이아이스를 넣은 후의 온도	17℃	17℃
승화할 때 흡수한 열의 양	497.05 cal	589.08 cal
드라이아이스의 승화열	4.971㎉/㏖	5.891㎉/㏖

 

2. 이산화탄소의 승화열 계산

실험 A. 뜨거운 물을 사용하는 방법

횟수	1회	2회
①사용된 물의 질량	60.92g	59.73g
②드라이아이스의 질량	15g	15g
③물의 온도 변화량	37.5℃	37℃

물의 비열 = 1cal/g·℃

4.18J/g·℃×0.24cal/1J ≒ 1calg·℃

 

1회)

드라이아이스는 CO2(s)이므로 분자량이 약 44인 물질이다.

15g은 드라이아이스 0.341몰(∴n=w/M, 15/44=0.341)에 해당하는데, 이 드라이아이스가 승화하면서 물 60.92g을 37.5℃ 떨어뜨렸으므로 1cal/g·℃×60.92g×37.5℃ = 2284.5cal를 빼앗아 간 셈이다. 따라서 이산화탄소의 승화열은 2284.5/0.341=6.699㎉/㏖, 즉, 6.699㎉/㏖이 된다.

 

2회) 같은방법으로,

1cal/g·℃×59.73g×37.5℃ = 2210cal

승화열 : 2210/0.341 = 6481cal/㏖ = 6.481㎉/㏖

 

실험 B. 차가운 물을 사용하는 방법

횟수	1회	2회
①사용된 물의 질량	99.41g	98.18g
②드라이아이스의 질량	4g	4g
③물의 온도 변화량	5℃	6℃

 

1회)

드라이아이스가 4/44≒0.1㏖사용됬고, 물 99.41g을 5℃떨어뜨렸으므로 1cal/g·℃×99.41g×5℃ = 497.05cal를 흡수한 것이다.

따라서, 이 실험에서는 497.05/0.1=4970.5cal/㏖, 즉, 4.971㎉/㏖이 된다.

 

2회) 같은 방법으로,

1cal/g·℃×98.18g×6℃ = 589.08cal

승화열 : 589.08/0.1 = 5890.8cal/㏖ = 5.891㎉/㏖

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 물의 온도변화와 비열을 이용해 이산화탄소의 승화열을 측정하는 실험이었다.

첫 번째 실험으로 나온 값은 6.699㎉/㏖, 6.481㎉/㏖ 이었고, 두 번째 실험으로 나온 측정값은 4.971㎉/㏖, 5.891㎉/㏖이었다. 실제 이산화탄소의 승화열인 6.03㎉/㏖과 비교했을 때, 차이가 있다. 어떤 과정에서 실험의 오차를 일으킨 것일까?

우선, 뜨거운 물로 실험할 때엔 뜨거운 물 자체의 열손실이 있었을 것이다. 열량계에 재빨리 넣은 후 열의 손실을 최소화했어야 하지만, 물의 부피를 재서 넣는 과정에서부터 열손실이 있을 것이다. 하지만, 이 요인에 의한 오차는 승화열 값이 작게 나오는 결과를 가지므로 첫 번째 실험엔 맞지 않을 것이다.

두 번째로, 이산화탄소 시료, 즉 드라이아이스의 손실이다. 드라이아이스는 상온에서도 잘 승화되어 없어지는데 질량을 재는 도중이나, 막자사발에다 잘게 갈던 도중 그리고 물에 넣은 후도 문제였다. 이 요인에 의하면 측정값이 커지는 요인이 되므로 우리 실험에 (첫번째) 맞는 오차의 요인이 된다.

두 번째 실험방법이 첫 번째 실험방법보다 더 정확한 방법이었을 텐데도, 두 번째 실험의 1회값은 오차가 꽤 크게 나왔다. 풍선에 드라이아이스를 넣어줌으로써 물질 교환을 방지하고 첫번째 실험에선 물속에 곧바로 드라이아이스를 넣음으로써, 물질교환도 일어났을 것이다. 즉, 에너지 교환만을 유도했을텐데 말이다.