[일반화학실험]에탄올과 부탄가스의 몰질량 측정

실험 목적

아보가드로 법칙에 의하면 일정한 온도와 압력에서 같은 부피의 기체에는 기체의 종류와 무관하게 같은 수의 분자가 들어 있다. 이러한 아보가드로의 법칙과 이상기체의 상태 방정식 (PV=nRT) 을 실제로 활용하여 에탄올과 부탄 가스의 몰질량을 알아 본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

원자나 분자는 매우 작은 입자이기 때문에 질량을 직접 측정하는 것은 매우 어렵다. 그래서 원자나 분자의 질량을 나타내기 위해서 1몰에 해당하는 분자의 질량을 탄소원자 1몰의 질량과 비교하여 결정한다. 분자의 몰질량을 측정하는 방법은 여러 가지가 있다. 그 중에서도 가장 간단하게 몰질량을 측정하는 방법은 기체의 상태 방정식을 이용하는 것이다. 대부분의 기체는 상온, 상압에서 이상기체 상태 방정식을 만족하기 때문에 기체의 부피, 온도, 압력과 함께 용기를 가득 채우는데 필요한 질량 m을 측정하면 이상기체 상태 방정식으로부터 몰질량 (M)을 구할 수 있다.

2. 실험 용어 

1) 몰질량

몰 질량이란 어떤 물질이 1몰 개(=6.022 X 1023 개) 있을 때의 질량을 뜻한다.

 

2) 실제기체의 상태 방정식

'이상기체상태방정식'은 기체분자운동론의 몇 가지 가정을 가지고 만들어진 식이기 때문에, 여러 종류기체들 간의 차이점이나, 실제 현상 등을 무시하고 하나의 방정식으로 나타낼 수 있었다. 이상기체란 이상기체 법칙을 따르는 기체로 구성분자들이 모두 동일하며 분자의 부피가 0이고, 분자끼리의 상호작용이 없는 가상적인 기체이다.

실제의 기체들은 충분히 낮은 압력과 높은 온도에서 이상기체와 비슷하게 움직이기는 하지만, 실제 현상의 일정 온도 하에서는 각 질량이나 인력 반발력 등이 제각각이고 고체 혹은 액체가 되는 등 여러 경우의 수가 많아 기체 방정식이 성립되지 않는다. 즉 실제기체 상태 방정식 은 이상기체 상태방정식처럼 단일로 존재할 수 없다.

 

3) 실제기체와 이상기체의 차이

이상기체 상태방정식은 아래 5가지조건을 가정해 두고 나온 식이다.

① 기체 분자들은 서로 멀리 떨어져서 끊임없이 자유롭게 직선 운동을 한다.

② 기체 분자의 크기는 용기의 부피에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작다.

③ 기체 분자 사이에는 인력이나 반발력이 작용하지 않는다.

④ 기체 분자들이 충돌하더라도 충돌에 의한 에너지의 손실이 없다.

⑤ 기체 분자들의 평균 운동 에너지는 절대 온도에 비례하며, 분자의 크기나 모양, 종류와는 관계가 없다.

 

이때, PV=nRT라는 공식에 딱 들어맞는 기체를 가상기체라고 하며, 실제기체는 분자 자체의 질량과 부피가 있고, 분자 간 인력과 반발력이 작용하며 분자 간 충돌 시 에너지의 손실이 있기 때문에 이상 기체 상태 방정식에 들어맞지 않는다는 차이점이 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 둥근 플라스크, 500 ㎖ 비커, 바늘, 온도계,스탠드, 전자저울, 알루미늄박(호일)

2) 100 ㎖ 메스실린더, 1000 ㎖ 비커, 10 ㎖ 메스실린더, 가는 관, 파라핀 필름

3) 가스라이터, 에탄올

 

4) 분젠버너(Bunsen burner) : 분젠버너는 가스를 연소시켜 고온을 얻는 장치이다. 분젠버너는 버너의 고무관으로 유도한 가스를 높이가 10 ㎝인 금속제 원통의 작은 구멍에서 분출시켜, 그 부근의 압력이 내려가는 것을 이용해 공기구멍에서 공기를 빨아들여 가스를 혼합하게 한다. 상단에 점화하면 가스는 계속해서 타고, 불꽃은 가스의 양 및 공기구멍의 크기를 변화시켜 조절할 수 있다.

 

5) 클램프(clamp) : 클램프는 실험실에서 철제스탠드와 함께 사용하여 보통 원통상의 기구를 지지하는 경우가 많으며 생긴 모양도 여러 가지이다. 특히 시험관이나 플라스크처럼 유리로 된 기구를 잡는 경우는 접촉되는 부분이 고무나 천으로 덮여진 것을 사용해야 파손될 염려가 없다.

 

6) 석면판(asbestos board) : 석면판은 내화·단열·전기절연성이 좋기 때문에, 방화용의 지붕·벽·천장, 그 밖의 건축 재료에 널리 쓰이는 판으로, 석면을 주원료로 만든 판으로 파쇄한 석면 섬유를 녹말,바닷말,풀 등의 점착제와 혼합한 것에, 석회 등의 충전제를 넣어 기계로 뜨고, 눌러 말려서 평판이나 파형으로 성형한 것이다.

 

실험 방법

1. 에탄올의 몰질량 측정

1) 500 ㎖ 비커에 물을 350 ㎖정도 채우고 끓을 때까지 가열한다.

2) 가열하는 동안 깨끗하게 씻어 말린 100 ㎖ 둥근 플라스크, 알루미늄 박(호일), 파라 필름의 총 무게를 저울을 사용해 소수점 셋째 자리까지 정확하게 읽는다. (건조 시 오븐이용).

3) 둥근 플라스크에 약 3 ㎖의 에탄올을 넣고 알루미늄 박으로 막은 뒤 파라필름을 사용하여 옆 부분을 고정 시키고, 스탠드에 세팅한다. (그림 참조).

※ 지나치게 큰 알루미늄 박(호일)으로 둥근 플라스크의 뚜껑을 막으면 접힌 알루미늄 박 사이의 공간으로 기체가 응축되어 정확한 질량 측정이 어려워지므로, 약 5㎝ X 5㎝ 크기로 자른 뒤 이용한다.

4) 물이 끓으면 물의 온도를 재고, 둥근 플라스크를 비커의 바닥에 닿지 않을 정도로 물속에 넣는다. 이 때, 기체가 새어 나올 구멍을 알루미늄 박에 바늘을 이용해 최대한 작게 뚫는다. (둥근 플라스크를 물속에 완전히 담근다는 것은 열 전달을 균일하게 하여 초기에 플라스크 내부에 존재하는 공기를 제거하고 플라스크 내부에 에탄올을 기화시켜 완전한 기체상태의 에탄올을 채우기 위한 것이다.)

5) 둥근 플라스크 속의 액체가 모두 기화할 때까지 기다린다. (약 5~6분). 뚜껑에 뚫린 구멍을 옆에서 자세히 관찰하면 빛의 산란 때문에 기체가 나오는 것을 관찰 할 수 있다.

6) 둥근 플라스크의 액체가 모두 기화하면, 플라스크를 끓는 물에서 꺼내 실온까지 식힌다. (플라스크는 매우 뜨거우므로 손으로 직접 만지지 않도록 주의)

7) 둥근 플라스크 바깥에 묻은 물은 와이퍼를 사용해서 완전히 닦아낸다.

8) 완전히 말린 둥근 플라스크와 알루미늄박 뚜껑(파라필름 포함)의 질량을 다시 측정한다.

9) 위 실험을 반복 한다. (총2회)

10) 둥근 플라스크를 깨끗하게 씻은 후에 증류수를 가득 채우고, 눈금 실린더 이용해 증류수의 부피를 읽는다. (부피가 100 ㎖가 넘으므로 스포이드를 이용해 정확한 값을 읽어 플라스크의 부피를 얻는다)

11) 몰질량을 계산한다.

 

2. 부탄가스의 몰질량 측정

1) 1000 ㎖ 비커에 증류수를 700 ㎖ 가량 채운다.

2) 100 ㎖ 메스실린더에 물을 찰랑거릴 정도까지 가득 채운다.

3) 메스실린더에 공기가 들어가지 않도록 입구를 파라핀 필름으로 막고 뒤집어서 비이커에 담근 후에 핀셋을 이용하여 파라핀 필름을 제거 한다.

4) 준비된 라이터의 무게를 소수점 셋째 자리까지 정확히 읽어서 기록한다.

5) 가는 관을 준비된 일회용 라이터의 가스 나오는 부위에 결합시킨 후, 관의 반대편을 핀셋을 이용해 뒤집어져 있는 메스실린더의 안쪽에 위치시킨다.

6) 라이터 가스를 주입하기 시작해서 30 ㎖ 가량의 기체를 포집한 뒤 정확한 부피를 읽는다.

7) 실험 후, 라이터의 무게를 소수점 셋째 자리까지 정확히 읽어서 기록한다.

8) 위 실험을 반복한다 (총2회).

9) 몰질량을 계산한다.

 

주의 사항

본 실험은 버너를 이용할 뿐만 아니라 연소성 부탄가스를 포집하는 실험이므로 부주의하게 가스를 포집한 후, 불꽃을 일으킨다거나 버너를 사용하는 일이 없도록 각별히 주의하도록 한다.

 

실험 결과

1. 에탄올의 몰 질량 측정(46.07g/㏖)

측정 횟수	1회
플라스크와 뚜껑의 무게(파라필름+호일+플라스크)(g)	61.845
증발 후 실온까지 냉각시킨 플라스크와 뚜껑의 무게(파라필름+호일+플라스크)(g)	61.549
응축된 시료의 무게(g)	0.296
끓는 물의 온도(℃)	100
플라스크의 부피(㎖)	136
압력(atm)	1
시료의 몰 질량(g/㏖)	53.141

단, 기체 상수 R = 0.082atm·L / ㏖·K로 계산하였다.

 

2. 부탄가스의 몰 질량 측정(58.12g/㏖)

측정 횟수	1회	2회
부탄가스를 빼기 전 라이터의 무게(g)	13.982	13.929
부탄가스를 빼낸 후 라이터의 무게(g)	13.929	13.877
빠져나간 부탄가스의 질량(g)	0.053	0.052
메스실린더를 이용해 측정한 부탄가스의 부피(㎖)	20	20
실내온도(℃)	25	25
기체의 압력(atm)	1	1
시료의 몰 질량(g/㏖)	64.634	63.415

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 에탄올의 몰 질량 측정 실험에서 액체 시료의 양이 충분하지 않아서 기화한 시료가 플라스크를 완전히 채우지 못했다면 어떤 결과가 얻어지겠는가?

만약 에탄올 양이 충분 하다면 가열 시 기화되는 에탄올이 플라스크에 있던 공기를 모두 밀어내게 되므로, 플라스크의 내부는 에탄올 기체로만 가득 채워지게 된다. 따라서 플라스크를 실온의 온도로 식힌 후에 응축된 시료의 양은, 에탄올이 모두 기화되었을 때 플라스크 부피와 같은 값을 갖는다. 즉, 완전 기화되었을 때 플라스크 내부의 부피와 같은 양만 남게 되는 것이다.

하지만 에탄올의 양이 충분하지 않아서 기화한 시료가 플라스크를 완전히 채우지 못하여 플라스크 내부의 공기를 모두 밀어내지 못하면, 실험에 사용된 에탄올기체의 부피가 실제 값보다 크게 측정 되며 실제 플라스크를 모두 채우는데 필요한 에탄올질량보다 실험의 결과로 나온 질량이 더 작은 값을 가진다. 즉, M=wRT/PV에서 w는 실제보다 작은 값을 갖고 V는 큰 값을 갖게 되므로, 실험값 M은 원래의 값보다 작게 측정된다.

 

2) 에탄올의 몰 질량 측정 실험에서 액체 시료에 기화하지 않는 불순물이 녹아 있다면 실험결과가 어떻게 되겠는가?

기체의 부피가 매우 큰 것에 비해, 액체와 고체의 질량에 대한 부피는 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서 만약 에탄올의 몰 질량 측정 실험에서 에탄올에 기화하지 않는 액체나 고체불순물이 섞여 있다면, 에탄올이 모두 기화한 후 실온까지 냉각시켰을 때 응축된 무게에 실제로 쓰인 에탄올의 질량 뿐 만 아니라 불순물의 질량도 더해져 측정되기 때문에, 실제 값보다 크게 측정될 것이다. 이에 따라 M=wRT/PV에서 w값이 크게 측정되므로, 전체의 값 몰 질량 M은 실제 보다 큰 값으로 계산될 것이다.

 

3) 실험 결과로 나온 에탄올과 부탄의 몰 질량의 값이 차이가 나는 이유를 생각해 보자.

① 에탄올 : |53.141-46.07|/46.07X100 = 15.34%

② 부탄 : 시료의 몰 질량 실험값(1회, 2회 평균) = 64.0245

|64.0245-58.12|/58.12X100 = 10.16%

 

4) 오차의 원인

① 라이터에 들어있는 가스가 순수한 100%부탄이 아니었기 때문에 순수한 부탄의 몰 질량이 정확히 측정되지 않았다.

 

② 본 실험에서 대기압으로 설정된 1atm은 해수면에서 측정했을 때의 값이지만, 실험한 장소는 해수면 보다 높은 곳이므로 실제 대기압이 1atm보다 작다. 이렇듯 압력P가 실제보다 큰 값으로 계산되어 오차가 생겼다.

 

③ 물을 가열할 때 플라스크에 있던 파라필름이 일부 녹아 질량이 손실 되었으므로 응축된 시료의 무게가 실제 값보다 약간 크게 측정되어 오차가 생겼다.

 

④ 실험에서 실온의 기온이 섭씨 25℃로 계산되었으나, 실험실 내부의 온도가 정확히 25℃가 아니었으므로 절대온도(T)의 값에 오차가 생겼다.

 

⑤ 플라스크의 부피를 측정할 때, 플라스크에 물을 채운 후 그 물을 비커에 부은 값으로 측정하였다. 그러나 이때 물이 흐르거나 전부 따라지지 않는 등의 정밀도가 떨어져, 플라스크의 부피 측정에 약간의 오차가 발생하였다.

⑥ 에탄올을 기화시킨 후 알루미늄 호일의 구멍으로 내보낼 때, 구멍의 크기와 어떻게 뚫느냐에 따라 대기압과의 일치여부가 달라진다.

 

참고 문헌

1. 화학실험, 화학교재편찬연구회, 1999.02

2. 일반화학, Brown 외, 2016.