[일반화학실험]탄산염의 분석 2부

실험 방법

1. 실험 과정

1) 기체부피 측정 장치를 만든다.

2) 수위조절용기를 연결하고 유리관의 물높이를 가장 높은 눈금(0.00㎖)에 맞춘다.

3) 100㎖ 플라스크에 6M HCl 1㎖를 넣는다.

 

4) M2CO3 시료 0.1g을 플라스크에 넣고 재빨리 마개를 단단히 막는다.

5) 기체 부피 측정 장치의 물에 이산화탄소가 충분히 녹을 수 있도록 5분 정도 기다린다.

6) 100㎖ 플라스크를 깨끗이 비운다.

7) 수위 조절 용기의 물높이를 가장 높은 눈금(0.00㎖)으로 다시 한번 맞추어 주고 물의 온도와 압력을 기록한다.

8) 100㎖ 플라스크에 6M HCl 20㎖를 넣는다.

9) M2CO3 시료 0.1g을 플라스크에 넣고 재빨리 마개를 단단히 막는다.

10) 플라스크를 조금씩 흔들어 주면서 이산화탄소 기체가 더 이상 발생하지 않을 때 까지 기다린다.

11) 수위 조절용기의 높이를 유리관의 수면과 같도록 조절한 후에 유리관의 눈금을 다시 읽고 기록한다.

12) 실험과정 6)~11)을 1회 반복한다.

주의 사항

1. 20 ㎖ HCl 용액에는 약 6.0 × 10-4 몰의 이산화탄소 기체가 녹으며, 유리관에 담긴 물에도 상당한 양의 이산화탄소가 녹는다. 이산화탄소가 물에 녹아서 생 기는 불확실도를 제거하기 위해서는 유리관에 넣을 물을 이산화탄소로 포화시 키는 것이 좋다. 200 ㎖에 0.3 g의 Na2CO3를 넣고 6 M HCl 1 ㎖을 넣으면 물을 포화시키기에 충분한 양의 이산화탄소가 발생한다.

2. 이산화탄소의 양을 정확하게 측정하기 위해서는 0.1 g의 시료를 기름종이에서 무게를 잰후, 그림에서와 같이 6 M HCl 20 ㎖가 들어있는 삼각플라스크를 기울여 시료를 넣고 고무마개를 막고, 그 주위를 파라 필름으로 둘러싼 후 플라스크를 조금씩 흔들어준다.

실험 결과

1. 결과 처리

1) 유리관에 모인 이산화탄소 기체가 받고 있는 압력을 얻기 위해서는 대기압에서 물의 증기압을 빼주어야 한다.

2) 발생한 이산화탄소 기체의 부피와 실험실의 온도 압력을 이상기체 상태방정식(PV=nRT)에 넣어서 발생한 이산화탄소의 몰수를 계산한다.

실제기체상태방정식을 이용해야하지만 여러가지 자료가 필요하고 복잡하기 때문에 이상기체 상태방정식을 사용합니다.

3) 사용한 탄산염의 무게에서 알칼리 금속의 원자량을 구하고 금속의 종류를 알아낸다.

2. 결과 data

	실험1	실험2
M2CO3의 무게	0.1g
발생한 CO2의 부피(L)	9.3㎖ = 0.0093L	10㎖=0.010L
발생한 CO2의 몰수(㏖)	0.00040 ㏖	0.00043 ㏖
보정된 CO2의 몰수(㏖)	0.0010 ㏖	0.00103 ㏖
물의 증기압이 보정된 압력(atm)	0.989 atm
탄산염의 분자량(g/㏖)	100 g/㏖	97.1 g/㏖
알칼리 금속의 원자량(g/㏖)	20 g/㏖	18.6 g/㏖
평균 원자량(g/㏖)	19.3 g/㏖

 

1) 물의 온도 : 9℃

 

2) 물의 증기압 보정 : [(760mmHg - 8.609mmHg) × 1atm/ 760mmHg] = 0.989 atm

 

3) 기체상수(R) : 0.0821L․atm/㏖․K

4) CO2 ㏖수 계산식 : 

n=(물의 증기압이 보정된 압력(atm)×발생한 CO2의 부피(L))/(0.0821L∙atm/㏖·K×실험실의 온도(K))

실험1 = (0.989atm×0.0093L)/(0.0821L·atm/㏖·K×282K) ≒ 0.00040 ㏖

실험2 = (0.989atm×0.0010L)/(0.0821L·atm/㏖·K×282K) ≒ 0.00043 ㏖

5) 이산화탄소의 보정된 몰수 : 발생한 이산화탄소의 몰수 + 20㎖ HCl에 녹는 이산화탄소의 몰수(6.0×10-4㏖)

실험1 = 0.00040 + 0.00060 = 0.0010 ㏖

실험2 = 0.00043 + 0.00060 = 0.00103 ㏖

 

6) 탄산염의 분자량 : M2CO3의 무게/ 보정된 CO2의 몰수

실험1 = 0.1g / 0.0010 ㏖ = 100 g/㏖

실험2 = 0.1g / 0.00103 ㏖ = 97.1 g/㏖

 

7) 알칼리 금속의 원자량 : [탄산염의 분자량-CO3의 분자량(60)]/2

실험1 = (100-60)/2 = 20 g/㏖

실험2 = (97.1-60)/2 = 18.6 g/㏖

알칼리 금속의 원자량

Li 7 g/㏖, Na 23 g/㏖, K 39 g/㏖, Rb 85 g/㏖, Cs 133 g/㏖

 

3. 참고 - 물의 증기압 

온도(℃)	증기압(mmHg)	온도(℃)	증기압(mmHg)
10	9.209	18	15.477
11	9.844	19	16.477
12	10.518	20	17.535
13	11.231	21	18.650
14	11.987	22	19.827
15	12.788	23	21.068
16	13.634	24	22.377
17	14.530	25	23.756

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 알칼리 금속의 탄산염에 염산을 넣을 때 발생하는 이산화탄소 기체의 양을 측정해서 알칼리 금속의 종류를 알아내는 것이다. 알칼리금속M은 형태의 탄산염을 형성하게 된다. 알칼리 금속의 탄산염에 염산을 넣어주게 되면 이산화탄소를 발생하게 된다. 주어진 무게의 탄산염에서 얻어진 이산화탄소의 양을 알아내면 알칼리 금속 M의 종류를 알아 낼 수 있다. 

알칼리 금속의 탄산염이 염산과 반응할 때 발생하는 기체의 부피는 기체발생장치를 이용해서 측정한다. 실험에 사용된 알칼리 금속 (미지시료)의 종류를 알기 위해서는 시료의 몰질량(g/㏖)을 구하면 알 수 있는데, 몰질량은 어떤 원소의 원자 1몰의 질량으로 정의되고, 그 값은 수치적으로 원소의 단위가 없는 상대 원자량과 같다. 

같은 관계가 화합물의 몰질량과 그 상대분자량에도 성립한다. 즉, 몰질량을 구하게 되면 그와 동일한 값인 분자량을 알 수 있게 되는 것이다. 몰질량을 구하기 위해서 먼저 몰수를 구하여야 한다. 몰수는 이상기체상태방정식을 이용해서 구할 수 있는데, 이를 구하기 위해 발생하는 CO2의 부피와 대기압을 알아야 한다. 

CO2의 부피가 필요한 까닭은 M2CO3 + 2HCl → 2M+ + Cl- + H2O + CO2 식을 보면 탄산염과 발생하는 CO2의 몰수비가 1:1이기 때문이다. 대기압을 이상기체방정식에 대입하기 전에 대기압에 물의 증기압을 빼야 한다. 

이것은 물의 증기압으로 보정하는 것으로, 용기 내부와 외부가 단절되어 있지 않기 때문에 내부와 외부의 압력이 같고 측정해서 알 수 있는 값은 용기 내부의 부피와 대기압, 용기 내부에 있는 산소의 질량, 기체의 온도를 알 수 있는데 이 중 대기압이 용기 내부 압력과 같지만 용기 내부에도 수증기가 존재 하게 되므로 만약 대기압을 실험에 사용하여 발생한 기체의 압력과 같다고 한다면 실제보다 발생한 기체의 양이 많아져서 오차가 발생하게 된다. 그 오차를 보정하기 위해 수증기의 압을 제거하는 것이다.

두 번의 실험으로 구한 CO2의 부피와 물의 증기압에 보정된 압력, 물의 온도, 기체상수를 이용해서 몰수를 구하고 물에 녹은 CO2의 몰수까지 보정하면 각각 0.0010 ㏖과 0.00103 ㏖이 나왔다. 이 몰수와 알칼리금속의 탄산염의 무게로 몰질량을 구해 분자량을 알 수 있었다.

최종 목적은 알칼리 금속이 종류를 알아내는 것이기 때문에 탄산염의 분자량에서 탄산(CO3)의 분자량을 제거하고 알칼리금속의 탄산염은 알칼리금속원자가 2개가 들어가 있기 때문에 2를 나눠주면 알칼리금속의 원자량이 나온다. 원자량의 평균은 19.3 g/㏖이 나왔다. 알칼리 금속들의 원자량과 비교해보면 가장 가까운 값을 가진 것은 나트륨(23 g/㏖)이었다.

실험값으로 구한 원자량과 나트륨의 원자량은 차이를 보인다. 실험값이 나트륨의 원자량보다 적게 나왔는데 세 가지의 오차를 생각해볼 수 있었다.

첫 번째로 수위조절기의 높이와 피펫의 높이를 제대로 맞추지 못했기 때문에 CO2의 압력이 물의 증기압에 더해지게 되어 대기압과 다른 상태가 된 것 같다.

두 번째로 처음 염산 속에 탄산염을 넣을 때 미량의 CO2가 발생하여 손실되어 버렸을 수 도 있다.

마지막으로 물이 이산화탄소로 포화가 덜 되어 그로 인해 바랭한 이산화탄소가 물속으로 녹아들어갔을 경우도 있다.

 

참고 문헌

1. 일반화학, MASTERTON, HURLEY, 자유아카데미, 2002, p.14~16

2. 일반화학, Oxtoby Freeman Block, 청문각, 1998, p.12~15, p.40

[Chemistry/일반화학] - [일반화학실험]탄산염의 분석 1부