[일반화학실험]주머니 난로의 열량 측정

실험 목적

화학반응에서 발산되거나 흡수되는 반응열의 측정을 통하여 비열과 열용량의 개념을 이해하고 그 응용성을 생각해본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

용매에 용해도 이상의 용질을 녹이게 되면, 용질은 더 이상 녹지 않은 채 석출되는데 이러한 용액을 포화용액이라 한다. 온도가 높아질수록 용해도가 커지는 용질의 경우, 포화용액상태에서 온도를 낮춰주면 용질이 석출된다. 하지만 어떠한 용매와 용질의 경우는 포화상태를 넘어서도 용질이 석출되지 않는다. 이를 과포화상태라 하고, 이 상태는 매우 불안정하기 때문에 약간의 자극이 주어지면 한꺼번에 결정이 석출된다.

 

아세트산소듐(Sodium acetate)의 결정은 그 한 개의 결정 안에 여러 개의 물 분자를 포함하고 있다. 이렇게 결정이 가지고 있는 물 분자를 결정수(結晶水)라고 한다. 이런 물질들은 상온에서 물에 대한 용해도가 작아 고체로 존재한다. 하지만 가열하면 용해도가 커져서 결정수에 녹게 된다. 녹은 용액은 고체 상태에 비해 많은 열에너지를 포함한다.

 

따라서 액체상태의 아세트산소듐이 고체 상태로 굳으면 열에너지가 방출된다. 물 속에서 중탕 가열한 아세트산소듐 용액을 식히면 용해도가 작아져 결정이 석출돼야 하는데 그렇지 않다. 중탕 가열한 아세트산소듐 용액은 포화상태 이상으로 용질을 녹이고 있는 과포화 용액이다. 과포화 용액은 매우 불안정하기 때문에 약간의 자극을 주면 한꺼번에 결정이 석출된다. 이 실험에서 자극을 준 것이 금속판을 앞뒤로 꺾어주는 것이다.

 

아세트산소듐삼수화물(Sodium acetate trihydrate, CH3COONa∙3H2O)을 58℃ 이상으로 가열하면 결정수(3H2O)가 분리되고, 그 물에 무수아세트산소듐이 녹기 시작한다. 완전히 녹게 되는 온도는 79℃정도이고 이때 포화상태를 이룬다. 아세트산소듐의 용해는 흡열과정으로, 가열해야만 녹는다. 반대 과정인 결정화는 발열반응이다.

 

2. 비열과 열용량

일상생활에서 물을 가열할 때 물이 많을수록 열을 가해 끓는 시간은 길어짐을 인지하고 있다. 어떤 물체의 온도를 1K 올리는데 필요한 열량은 질량에 비례 하며 이를 열용량(C)라 한다. 질량과 관계 없이 어떠한 물체의 온도를 높이는데 필요한 물리량을 비열(c)라 하며 이는 열용량을 질량으로 나누어주면 직관적으로 단위 질량당 열용량이 곧 비열임을 알수 있다.

 

C = Q/(T'-T)

T：온도, Q : 열, 단위 : ㎈/K

 

열용량C는 위와 같은 공식으로 유도 되며 열 Q를 알아내기 위해서 물질의 해당량을 알아낼 필요가 있다.

Q = (m+M)CW(T2-T1)

 

3. 화학반응의 엔탈피(Enthalpy)

화학에서는 반응열·연소열·용해열·중화열·증발열 등 많은 열을 다루는데, 앞에서 말한 ‘열’은 일정한 압력에서 반응(변화)이 일어날 때, 반응 전후의 온도를 갖게 하기 위하여 계가 흡수하거나 방출하는 열(에너지)을 의미한다. 이와 같은 열을 다른 말로 엔탈피(enthalpy: H)라 부르며 엔탈피는 엔트로피와 더불어 물질계의 안정성과 변화의 방향, 그리고 화학 평형의 위치와 이동을 결정하는 중요한 것이다.

일정한 압력 아래에서 일어나는 물리∙화학적 변화에서 출입하는 열량을 알기 위해, 19세기 중반에 엔탈피가 도입되었다. 엔탈피(H)는 에너지(E)에 압력(P)과 부피(V)의 곱을 더한 것으로 정의한다.

H = E + PV

따라서 엔탈피 변화량 ΔH는 ΔH = ΔE+ Δ(PV)라 할 수 있다. Δ(PV)는 (PΔV + VΔP)로 쓸 수 있고, P-V 일 이외의 다른 일이 관여하지 않는다면, ΔE = Q - PΔV 이므로, 이 경우 ΔH는 다음과 같이 된다.

ΔH = Q + VΔP

따라서 일정한 압력(ΔP = 0) 하에서 일어나는 물리∙화학적 변화에서 흡수한 열량(QP)은 엔탈피 변화(ΔH)와 같다.

ΔH = QP

 

4. 용해열

용해는 어느 한 물질이 다른 물질에 균일하게 녹아 용액으로 되는 현상이다. 물질은 용해할 때 항상 열의 출입이 따른다. 화학반응에서 방출 또는 흡수되는 열을 반응열(heat of reaction)이라고 하고, 열이 방출되는 반응을 발열반응, 열이 흡수되는 반응을 흡열반응이라고 한다. 그리고, 어떤 물질이 용해될 때 흡수하거나 방출하는 에너지의 양을 용해열이라고 한다. 즉, 용질이 용매에서 용해될 때는 열을 흡수하거나 방출하는데, 물질 1몰이 과량의 용매에 완전히 용해할 때 출입하는 열을 용해열이라고 한다. 용해열은 용매의 양에 의해서도 달라지므로 용매의 양을 밝혀 둘 필요가 있다.

예를 들어, 염화암모늄이 물에 녹으면 주위의 열을 흡수하여 온도가 내려간다. 즉, 용질인 염화암모늄이 용매인 물에 녹으면서 열을 흡수하는데, 이때 흡수된 열이 용해열이다(용액에서 용해되는 물질을 용질이라 하고, 용해시키는 물질을 용매라고 한다.). 기체의 경우 용해할 때 일반적으로 열을 방출하지만, 액체나 고체가 녹을 때는 열을 방출하는 때도 있고 흡수하는 때도 있다. 용해열은 용매의 양에 의해서도 달라지므로 용매의 양을 밝혀둘 필요가 있다. 예를 들면 상온에서 염화칼륨 1㏖을 물에 용해할 때 용해열이 4.05㎉(흡열)라고 할 때 용매인 물의 양이 25㏖이라는 것을 명시해야한다.

 

5. 열의 일당량(에너지의 단위)

열은 역학적 일로 역학적 일은 열로 서로 전환 될 수 있다. 열과 일의 비례관계를 열의 일당량이라고 한다. 물에 고무풍선을 띄우고 물의 온도를 서서히 높이면, 고무풍선은 서서히 부푼다. 이렇게 열은 고무풍선을 부풀리는 일을 할 수가 있다. 이러한 열과 역학적인 일 사이의 관계를 열의 일당량이라고 한다. 열은 그 열을 담고 있는 물질의 종류에 따라 열량으로 나타 낼 수가 있으며 칼로리(㎈)로 표시한다. 또한 역학적인 일은 줄(Joule)로 표시한다. 1㎈가 4.2J의 역학적 일을 할 수 있다는 것을 알았다.

 

즉, 1 줄은 1뉴턴의 힘으로 물체를 1미터 이동하였을 때 한일이나 이에 필요한 에너지다. 이 양은 기호 N·m을 사용하여뉴턴 미터로도 측정한다. 돌림힘 또한 일과 같은 단위를 가지지만 양은 같지 않다.

기본적인 단위에서

1J=1N·m

1J=1㎏·m2/s2

전기 에너지에서의 1J는, 1볼트전압,1A 전류가 1초 동안 흘렀을 때의 에너지이다. 1줄을 에너지의 CGS 단위인 에르그로 환산하면 1,000만 에르그에 해당한다

 

6. 용어 정리

1) 용해도 : 일정한 온도에서 용매100g중에 녹을 수 있는 용질의 양을 g수로 표시한 것으로, 온도와 압력, 용매와 용질의 종류에 따라 다르다.

2) 몰 용해도 : 녹기 어려운 물질에 대하여 포화용액 1L속에 녹아있는 용질의 몰수

3) 포화용액 : 일정한 온도와 압력 하에서 용해된 용질과 용해되지 않은 용질이 동적 평형을 이루고 있는 상태의 용액

4) 과포화용액 : 용해도 이상으로 용해되어 있는 용액, 준 안정한 상태에 있으므로 여기에 용질의 결정조각을 하나 넣거나 용기 벽을 긁어 주면 과량의 용질이 석출하여 안정한 포화용액이 된다.

 

실험 목적

1. 실험 재료

1) 주머니 난로(Sodium Acetate), 원형 스트로폼 단열재, 온도계

2) 메스실린더, 에탄올, 초시계

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 주머니 손난로의 무게를 잰다.

 

2) 원형 스티로폼 단열재에 증류수를 225㎖ 넣는다.

 

3) 원형 스티로폼의 뚜껑에 온도계를 고정시키고 뚜껑을 닫는다.(안의 열이 빠져나가지 않도록 뚜껑을 누르고 있도록 한다)

 

4) 증류수의 온도변화가 없을 때까지 기다린 후 온도를 측정한다. (5분가량)

 

5) 뚜껑을 열고 발열을 시킨 주머니 난로를 재빠르게 넣는다.(이 때, 온도계가 직접적으로 주머니 난로에 닿지 않도록 한다)

 

6) 온도변화가 없을 때까지 30초~1분 간격으로 온도를 측정한다. (원형 스티로폼을 20초에 한번씩 흔들어서 열이 골고루 전달되도록 한다)

 

7) 에탄올 225㎖로 같은 실험을 한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

주머니 난로의 전체무게(g)		주머니난로안의 아세트산소듐삼수화물(Sodium acetate trihydrate, CH3COONa·H2O)만의 양(g)
물	에탄올	물	에탄올
72.745	74.252	47.641	48.696

 

※ 시판되는 주머니난로의 성분은 아세트산나트륨과 염화나트륨, 물이 들어있다.

아세트산나트륨은 전부 삼수화물의 형태로 재결정된다고 하면, CH3COONa∙3H2O과 NaCl의 질량비에 의해 CH3COONa∙3H2O은 성분 전체 무게 중 70%를 차지한다.

∴ 주머니 난로 안의 아세트산소듐삼수화물만의 양 = {주머니 손난로 전체 무게-(포장비닐+금속판의 무게)} × 0.7}

∴ 포장비닐 + 금속판 무게: 4.686g

용매(Solvent)	물(℃)	에탄올(℃)
손난로를 넣기 전 온도	24.5	25.1
손난로를 넣은 후30초	24.9	25.5
1분	25.0	26.0
2분	26.0	26.9
3분	27.0	28.0
4분	27.2	29.0
5분	28.0	30.1
6분	28.3	31.8
7분	29.0	33.0
8분	29.7	33.8
9분	29.9	35.0
10분	30.0	35.1
11분	30.0	35.5
12분	30.1	35.8
13분	30.2	36.0
14분	30.5	36.0
15분	30.7	36.0
16분	30.8	36.0
17분	30.9	36.0
18분	31.0	36.0
19분	31.0	36.0
20분	31.0	36.0
온도변화(마지막 온도-처음온도)	6.5	10.9

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 온도변화를 이용하여 주머니 난로에서 발생되는 열량을 계산하여라.

※ 에탄올의 비열과 밀도는 각각 2.41J/g℃(0.577cal/g∙℃), 0.78g/㎖ 이고, 물의 비열과 밀도는 각각 1cal /g∙℃, 1g/㎖ 이다.

 

q=CmΔT

1㎈=4.18J

 

① 용매 물 : q=CmΔT = 1cal/g∙℃×225㎖×1g/㎖×6.5℃ = 1462.5cal = 6119.1J

② 용매 에탄올 : q=CmΔT = 0.577cal /g∙℃×225㎖×0.78g/㎖×10.9℃ = 1103.8cal = 4618.3J

 

2) 주머니 난로의 발열 반응은 다음과 같다.

CH3COO⁻ + Na⁺ + 3H2O → CH3COONa∙3H2O

 

이 때, ΔHc (Heat of crystallization)이 145 J/g 이라면, 실험에 사용된 주머니 난로에서 발생할 수 있는 이론적인 열량은 얼마인가? 또 위의 1번에서 계산한 실험적 열량과 차이가 난다면 그 이유는 무엇인가? (단위를 J/g로 계산하여 비교할 것)

 

① 이론적 열량 물 : 145J/g×47.641g = 6908.0J

② 이론적 열량 에탄올 : 145J/g×48.696g = 7061.0J

 

q=CmΔT의 식을 보면, 열량이 높으면 실험에서 얻을 수 있는 ΔT가 높아야한다. ΔT가 이론값만큼 높지 않다는 것은 열손실이 발생했다는 것이다. 그 오차는 다음과 같다.

① 원형스티로폼 단열재이다. 가성비가 좋고 열전도율이 낮기에 단열재로 쓰지만 열전도가 아예불가능하진 않다. 이를 보완하기 위해선 더 두꺼운 스티로폼 단열재를 사용하거나, 세라믹의 단열재를 사용해야 한다. 또한, 온도계를 통해 열손실이 생겼을 수 있고 난로 주변으로 열전달이 제대로 되지 않았을 수 있다.

② 비닐과 금속판의 무게는 제조사마다 다르다. 만약, 무게가 2g만 더 나가도 200J가까이 오차가 발생한다. 비닐과 금속판의 무게를 측정하려면 실험 후 해체시 측정해야 하기에 현실적으로 어려움이 있다.

 

3) 주머니 난로 원리와 마찬가지로 화학 반응을 이용하여 여름에 사용할 수 있는 아이스팩이 가능한지 생각하고, 가능하다면 또는 불가능하다면 이유를 적어보시오.

가능하다 생각한다.

본 실험에서는 손난로에서의 발열반응이 일어났는데 이 부분을 흡열반응으로 바꿔준다면 충분히 아이스팩을 만들 수 있다. 흡열반응시 열을 물체가 흡수하여 주변에서 물체에게 열을 준 주변계의 온도는 낮아지게 되어 아이스팩의 역할을 물체가 할 수 있다.