[물리화학실험]열량계법에 의한 중화열의 측정 1부

실험 목적

강염기인 수산화나트륨 (NaOH) 1㏖을 여러 가지의 강산들로 중화 시켰을 때 발생하는 열량을 측정

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

어떤 종류의 반응에서는 균형 반응식에서의 계수와는 무관하게, 화학량이 항상 1:1 로 결 합한다고 정의될 수 있다. 한 가지는 산화환원 반응이고 다른 하나는 산․염기 중화반응이 다. 산․염기 중화반응에 있어서

 

H+ + OH- → H2O

 

H+ 1몰을 제공하는 산의 양은 항상 OH- 1몰을 제공하는 염기의 양을 중화한다. 두 가지 는 항상 1 : 1 비로 결합한다. 당량의 정의는 산 ․ 염기나 산화 ․ 환원 같은 반응의 종류 에 따라 결정되고 당량이란 반응물이 항상 1 : 1 로 반응하는 양으로 정의된다.

 

반응물이 용액일 때 당량을 다루는데 있어서 몰농도와 유사하지만 몰 대신 당량의 용어로 하는 양을 정의하는 것이 편리하다. 이때 쓰이는 것이 노르말 농도인데 이것은 용질의 당량수/용량 1L 로 구할 수 있다. 따라서 용량 1L당 용질 1당량을 함류하는 용액은 iN의 농도를 갖고 있다고 할 수 있다.

 

노르말농도 = 몰농도×몰당 당량수

N×V용액 = 용질 당량수

 

몇가지 산염기의 분자량과 당량

산 또는 염기	분자량	당량	몰농도와 노르말농도사이의 관계
HCl	36.5	36.5	1M=1N
H2SO4	98	98/2=49	1M=2N
H3BO4	98	98/3=32.6	1M=3N
NaOH	40	40	1M=1N
Ca(OH)2	74	74/2=37	1M=2N

 

보통 정도의 농도에서 중화 시킬 때는 이온 상호간의 힘 및 기타 영향들이 개입하므로 중 화열이 더 크게 나타나는 경우가 있다. 따라서 중화과정에서 발생되는 열량을 측정할 때 는 산 및 염기의 농도와 측정 시 발생되는 온도 등에 주의가 필요하다.

충분히 묽은 용액은 25℃에서, 강염기 1㏖을 강산1㏖로 중화 시킬 때, 참고 문헌을 통해서 5700J의 열량이 발생한다는 것을 알 수 있다. 따라서 실험을 통하여 실제 실험치와 참고문헌상의 수치를 비교해보아야 한다.

열량계법이란, 열량계의 측정은 반응을 통해 방출되거나 흡수되는 열량을 해석하여 물질 의 열전도도와 열용량을 결정하기 위해 실시되며, 기화나 용융 같은 물리적 변화나 연소 와 중합 같은 화학적 변화에 의한 열은 손실되거나 없어진다.

 

C=Q/ΔT

Q:방출된 열, C:열량계의 열용량, ΔT측정된 온도변화

 

열량계의 열용량은 이미 알고 있는 소모된 열량에 대한 측정된 온도 변화로부터 결정 된 다. 열용량을 알고 있는 계에서 반응이 일어날 때는 ΔT로부터 물리적, 화학적 변화의 열이 산출될 수 있다. 여기서 열용량은 물질의 온도를 1K 올리는데 필요한 열량을 말하며 C로 표시한다. 열용량을 언급할 때는 반드시 온도 1K를 올리는 과정을 정해주어야 한다. 열이 상태함수가 아니므로 열용량 또한 상태함수라고 할 수 없다.

 

1) 일정한 부피

물질 1㏖의 온도를 T1에서 T2

Cv이 온도와 무관하면 qv = Cv(T2-T1) = ΔU

 

2) 일정한 압력

3) Cv와 Cm의 관계

Hm = Um + PV = Um + RT	Cp = Cv + d(RT)/dT
	Cp = Cv + R

  

본 실험에서는 열량계가 주위와 열을 주고 받는 일이 별로 없도록 만들어져 있고 실온에 아주 가까운 온도에서 사용하므로 단열과정이고, 주위로 방출한 열량이나 주위에서 얻은 열량이 거의 무시할 수 있을 정도로 작다. 여기에선, 전체부피 600㎖속에서 0.1 당량의 염기를 0.1당량의 산으로 중화시켜야 한다. 얼음물이 얻은 열량이 Dewar 병 및 그 안에 든 500㎖의 물이 잃은 열량과 같다는 사실로

 

419(Tf-T)=C'T

Tf:열량계의 최종온도, T:얼음물의 최종온도

C':열량계와 물 500㎖를 합한 열용량(J/㎈)

 

용액의 전체 부피가 500㎖인 열량계의 열용량은

 

C = C' + 418J/deg

 

따라서 본 실험에서 발생하는 열을 측정하기 위하여 사용할 식은

 

Q(몰당 중화열) = CΔT/0.10

(ΔT: 중화 과정시 온도변화)

 

열량계 장치, 1L Dewar병, 눈금 간격이 0.1c인 50c 짜리 온도계, 50㎖의 피펫 등의 장치 가 필요하며 시약으로는 0.2N NaOH 500㎖와 1.0 HCl 100㎖, 1.0N H2SO4 100㎖와 1.0 CH3COOH 10㎖가 필요하다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1L 짜리 Dewar 병, 눈금간격이 0.1℃인 50℃짜리인 온도계 50㎖ 피펫

2. 실험 시약

0.2N 수산화나 트륨 (탄산이온이 없는 것), 1.0N 염산, 황산 및 아세트산

① NaOH

수산화나트륨의 화학식은 NaOH이다. 순수한 것은 무색의 투명한 결정이지만, 보통은 약간 불투명한 흰색 고체다. 탄산나트륨 등의 불순물을 함유하고 있다.완전히 탈수시킨 수산화나트륨의 녹는점은 328℃이지만, 보통은 약간의 수분이 들어 있어 318.4℃ 이다. 끓는점 1,390℃, 비중 2.13이다. 조해성이 강하여 공기중에 방치하면, 습기와 이산화탄소를 흡수한다. 그러면 탄산나트륨이 되어, 결정을 석출한다. 물에 잘 녹으며, 그때 다량의 열을 발생한다. 수용액은 강한 알칼리성이며, 용해도는 물 100g에 대하여 0℃에서 42g, 100℃에서 347g이다. 알코올이나 글리세롤에는 잘 녹지만, 에테르나 아 세톤에는 녹지 않는다. 강하게 가열해도 산화물과 물로 분해하지 않는다. 

그러나 쉽게 융해하여 금·백금·규산 등을 침식하므로, 융해 수산화나트륨은 은·니켈 등의 용기를 써 서 취급해야 한다. 수산화나트륨은 비누·제지·펄프·섬유·염료·의약품·식품·전기 등 모든 분야에 걸쳐 널리 사용된다. 특히 인조섬유 및 화학약품의 원료로 가장 많이 사용된 다. 이렇게 수산화나트륨은 화학공업의 원료 이외에, 석유정제공업·방직공업·고무공업 등에 광범위하게 사용된다. 

수산화나트륨은 극약으로서 강한 부식성이 있다. 그러므로 취급하는데 주의해야 한다. 그런데 진한 수용액 또는 고체가 피부에 닿았을 때는 일단 물로 잘 씻는다. 그런 다음 5∼10%의 황산마그네슘 수용액으로 씻으면 된다. 눈에 들 어갔을 때는 가능한 한 많은 물과 붕산수로 잘 씻어야 한다. 마셨을 때는 다량의 식초 나 레몬즙을 섞은 물을 많이 마시거나, 우유·달걀 흰자위 등을 먹으면 효과적이다.

 

② CH3COOH

화학식 CH3COOH. 강한 자극성의 냄새가 나는 무색 액체로, 분자량 60.05, 녹는점 16.6℃, 끓는점 117.8℃, 비중 1.0492이다. 약한 산이며, 1㏖ 수용액에서는 0.4% 정 도 해리하여 아세트산이온과 수소이온이 된다. 어는점 내림의 값(39)이 크므로, 순수 한 아세트산의 녹는점은 소량의 물이 섞이면 급격히 떨어진다. 또한, 냉각하면 결정화 되기 쉬우므로 겨울철에는 결정상태가 되는데 이것을 빙초산이라고 한다. 물 외에 에탄올·에테르 등 유기용매와도 임의의 비율로 섞이나, 이황화탄소나 석유 등 무극성용 매에는 잘 녹지 않는다. 안정된 화합물이며, 과망간산염이나 중크롬산염 등 산화제에 의해서 산화되지 않는다. 

인화점은 41.7℃이며, 태우면 푸르스름한 불꽃을 내면서 이 산화탄소와 물이 된다. 그리고 많은 금속과 염을 만들고, 알코올이나 페놀과 에스테르 를 생성한다.아세트산의 제조는 아세트산발효에 의한 방법, 목재의 건류에 의해 생기 는 목초에서 얻는 방법이 옛날부터 사용되어 왔으나, 현재는 주로 아세틸렌을 원료로 하는 합성법이 이용된다. 아세트산비닐의 제조를 비롯하여 염색·합성초·아스피린 등의 의약품, 사진의 정착액 외에, 용제·아세틸화제, 또는 아세트산에스테르·아세트산무수 물·아세톤 등 공업상 매우 중요한 물질로 대량 사용된다.

 

③ NH3OH

암모니아를 물에 녹여 만드는데, 발열하므로 냉각시키면서 녹인다. 온도에 따라 용해 도가 변화하고, 농도가 높을수록 비중이 작다. NH3분자의 상태는 각종 실험결과로 알 수 있듯이 수산화암모늄 NH4OH의 존재로 생각되지 않으며, 물 분자가 첨가된 NH3·H2O와 NH4OH의 중간 상태에 있는 것으로 보고 있다. 무색 투명한 액체로, 암모니아 냄새와 자극적인 맛이 나고, 알칼리성을 보인다. 

가열하든가 강한 염기가 존재 하면 용해도가 감소하여 암모니아를 잃는다. 시약으로서도 중요하나, 의류의 세척이나 국소 자극제·흥분제·제산제·중화제 등 의약품으로서도 사용된다. 고무·유리 등의 마개로 막아 밀폐하여 보존하는데, 진한 암모니아수는 온도가 상승하면 폭발하므로 서 늘한 곳에 저장한다. 여름철에는 마개를 뽑을 때 분출하여 눈에 들어가는 경우가 있으 므로 주의해야 한다.

 

④ HCl

보통 무색이고 농도 35% 이상의 것을 진한 염산이라고 한다. 진한 염산은 습한 공기 중에서 두드러지게 발연하고 자극적인 냄새가 나는 용액이단.1기압에서는 일정한 끓는 점 108.584℃를 가진다. 20.24%에서 물과 공비혼합물을 만들기 때문에, 농도에 관계 없이 끓는점은 차차 올라가며, 이 온도에서 증발분과 잔류분이 같아진다. 아연·알루미늄·주석 등 이온화 경향이 큰 금속과는 반응하여 수소를 발생시킨다. 

이온화 경향이 작은 은·수은·금·백금 등과는 반응하지 않으나, 구리·철·니켈 등과는 가열하면 녹는다. 금속의 산화물은 일반적으로 반응하여 염화물이 된다. 비금속과는 거의 작용하지 않는 다. 각종 시약으로 중요하다. 또, 무기약품·염료·의약품의 제조, 녹말의 당화 등에도 사용되나 가장 소비량이 큰 용도는 글루탐산나트륨·간장 등 아미노산 조미료의 제조이 다. 진한 염산은 극약이므로 주의해야 한다.

 

⑤ H2SO4

순수한 황산은 무색으로 점성이 있는 기름 같은 액체이다. 겨울철에는 결정화한다. 녹 는점 10.4℃, 비중 l.84(15℃)이다. 많은 무기물 및 유기물을 녹이며, 가열하면 290℃ 에서 분해하기 시작하여 삼산화황을 발생한다. 317℃에서 끓기 시작하여 공비혼합물 (98.54% 수용액)이 된다. 순 황산(100% 황산) 및 진한 황산은 물과의 친화력(親和力) 이 강하여 혼합하면 강하게 발열한다. 또 물과 강하게 결합할 뿐만 아니라 강력한 탈수작용이 있어, 다른 여러 가지 화합물로부터 산소와 수소를 빼앗기 때문에 각종 건조제·탈수제로 사용되며, 설탕이나 섬유 등에 황산을 작용시키면 탈수되어 탄소가 유리 된다. 

진한 황산에 삼산화황을 녹인 발연황산은 탈수작용이나 산화작용이 휠씬 강하다. 화학공업에서 기초 원료로 가장 중요한 것 중의 하나이다. 금속제련·제강·방직·제지·식품 등의 각종 공업에 광범위하게 사용되고 있으며, 이 밖에 실험실용 시약·의약품으로서의 용도도 많다. 예를 들면, 제조화학에서는 황산암모늄·과인산석회·망초·황산칼륨·석고·술폰산 또는 그 염, 이 밖에 질산·염산·인산·아세트산·크롬산 등과 같은 각종 산, 인산암모늄·황화수소·염소·인조섬유 ·합성섬유·염료·산화티탄 리토폰·페놀 등의 제조에 사용된다. 촉매로 사용되는 경우도 있고, 아세트산·아세트 산셀룰로오스, 각종 에스테르의 제조, 석유의 분해 등에도 사용된다. 

니트로벤젠·니트 로글리세롤 ·니트로셀룰로오스 등의 제조에는 니트로화 시약으로 진한 황산이 조제로 필요하며, 알데히드·숙신산·옥시산, 케톤 등에서는 산화조제, 아연·철·알루미늄·나 트륨 등에 의해서 각종 유기화합물을 만들 때에는 환원조제로 사용된다. 또 철강·황동·청동·구리·은 등의 녹제거나, 석유·유지·그리스·타르·지방산 등의 세정에 다 량으로 사용된다. 이 밖에 녹말·목재의 당화)나 방부제·제초제·살균제·살충제·매염제·축전지·피혁의 탈모제로도 쓴다. 

[Chemistry/유전공학] - [물리화학실험]열량계법에 의한 중화열의 측정 2부