[일반화학실험]열계량

실험 목적

열량계의 온도 변화를 관찰하여 화학반응에 수반하는 열의 흡수 또는 방출되는 양을 측정하여 보고 열역학의 기초를 이해하는 것이다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

본 실험은 열량계의 온도 변화를 관찰하여 화학 반응에 수반하는 열의 흡수 또는 방출되는 양을 측정하여 열역학의 기초를 이해하는 데에 있다. 열이란 다른 온도에 있는 두 물체 사이의 열에너지의 전달이다. 열의 흐름이라고 말하면 흔히 더운 물체에서 찬물체로의 열의 이동이다.

 

열에너지는 온도를 측정해서 계산할 수 있다. 열에너지는 양을 중요시하게 생각한다. 더 많은 양의 분자가 있으면 더 많은 분자 운동이 있기 때문에 더 많은 열에너지를 저장한다. 본 실험에서는 중화반응을 이용해 열을 측정하는데 중화반응은 물과 염을 생성하고 물리적으로 열을 생성한다.

 

열량계를 이용해 이 반응열을 측정하는데 반응열을 측정할 때는 용기가 얻은 열과 용액이 얻은 열을 구해서 더해주어야 한다. 아무리 단열이 잘되는 열량계라도 미세한 열의 흡수 또는 방출이 있을 수 있기 때문이다.

 

온도를 측정해 열을 계산할 때 Q=ms⊿T 라는 식을 이용한다. 여기서 s는 비열로 물질 1g을 1℃ 높이는데 필요한 열량이고 ms는 C로 표현해 Q=C⊿T라고 쓸 수도 있다. C는 물질 mg을 1℃높이는데 필요한 열량으로 비열×질량이다.

 

2. 실험 요약

본 실험에서는 열량계를 사용하여 용액이 얻은 열과 용기가 얻은 열을 측정해 반응열을 구하게 된다. 반응열을 구하기 위해서는 비열과 열용량을 이해하여야 하는데, 비열(s)은 물질 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량이며, 열용량(C)은 주어진 양의 어떤 물질을 1℃ 올리는데 필요한 열량이다. 만일 물질의 양(m)과 비열을 알고 있다면 시료의 온도변화(⊿T)로부터 반응열q는 q=ms⊿T=C⊿T이다.

 

실험을 진행하기 위해서 보온병, 실리콘마개, 온도계, 100㎖ 눈금실린더, 얼음물, 증류수, 0.4M HCl∙2.0M NaOH 수용액을 준비한다. 실험 준비를 마친 후 중화반응열을 측정하기 전에 열량계의 열용량을 결정하는 실험을 먼저 진행한다. 보온병에 100㎖의 증류수를 넣고 온도계를 끼운 뚜껑을 덮은 다음 일정한 온도가 되면 그 값을 기록한다.(Tw)

 

여기서 적당히 냉각된 얼음물의 온도(Tice)를 잰 후 20㎖를 재빨리 취하여 넣은 뒤, 전체 용액의 온도변화를 관찰하고 최저온도를 기록한다.(Tf) 첫 번째 실험에서 Tw=17.5℃, Tice=2.0℃, Tf=13.0℃로 열량계의 열용량은 87.4J/℃이다.

열량계의 열용량을 결정한 후에는 중화반응열을 측정하는 실험을 한다. 우선 용기에 0.4M HCl 100㎖를 넣고 온도를 측정한다. 그리고 2.0M NaOH용액 200㎖를 준비하고 용액의 온도가 HCl용액과 소수점 아래 한자리까지 동일하게 되도록 방치한다.(T1) 이 용액을 용기에 재빨리 넣고 뚜껑을 덮은 뒤 도달하는 최고온도를 측정한다.(T2)

 

실험결과 HCl용액과 NaOH용액의 온도는 16℃이고 반응 후 최종온도는 20℃였다. 따라서 총 반응 열량은 563.6㎈ 였고, 생성된 무리의 몰당 방출한 열량은 58.95kJ/㏖이었다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 보온병, 실리콘 마개, 온도계, 100㎖ 눈금실린더

2. 실험 시약 

2) 얼음물, 증류수, 0.4M HCl, 2.0M NaOH 수용액

 

실험 방법

1. 열량계의 열용량 결정

1) 용기에 100㎖의 증류수를 넣고 온도계를 끼운 뚜껑을 덮은 다음 일정한 온도에 도달했다고 생각하면 그 값을 기록한다.(Tw)

2) 적당히 냉각된 얼음물의 온도(Tice)를 잰 후, 20㎖를 재빨리 취해서 증류수가 들어있는 열량계에 쏟아 붓고 뚜껑을 덮은 뒤, 전체 용액의 온도 변화를 주의 깊게 관찰하여 최저 온도를 측정하여 기록한다.(Tf)

 

2. 중화반응열

1) 용기를 깨끗이 비운 뒤에 0.4M HCl 100㎖를 넣고 온도를 측정한다.

2) 2.0M NaOH용액을 준비하고 용액의 온도가 소수점 아래 한 자리까지 동일하게 되도록 잠시 동안 방치한다.(T1)

3) 2.0M NaOH용액 20㎖를 열량계 용기에 재빨리 섞고 뚜껑을 덮은 뒤 도달하는 최고온도를 측정한다.(T2)

 

실험 결과

1. 열량계의 열용량(C′) 결정

1	증류수의 온도(Tw)	17.5 ℃
2	얼음물의 온도(Tice)	2 ℃
3	증류수와 얼음물의 최종온도(Tf)	13 ℃
4	증류수 물이 잃은 열량(온도감소×100g×1㎈/g∙℃)	450 ㎈
5	얼음물이 얻은 열량(온도증가×20g×1㎈/g∙℃)	220 ㎈
6	열량계가 얻은 열량((4)-(5))	230 ㎈
7	열량계의 열용량(C′)=열량계가 얻은 열량/온도증가	20.9 ㎈/℃
8	(7)을 J/℃로 바꾸어라.	87.4 J/℃

 

열량계의 열용량은 일정량의 물이 있는 열량계 속에 일정량의 찬물에 넣었을 때 온도변화를 측정하여 구한다. 열량계가 얻은 열량은 증류수 100㎖가 잃은 열량과 얼음물이 얻은 열량의 차와 같다.

C′×(Tf-Tice) = [(Tw-Tf)×100g×1㎈/g] - [(Tf-Tice)×20g×1㎈/g]

1) 증류수가 잃은 열량 : ⊿T = 17.5℃ - 13℃ = 4.5℃ 이므로

4.5℃×100g×1㎈/g∙℃ = 450㎈

2) 얼음물이 얻은 열량 : ⊿T = 13℃ - 2℃ = 11℃ 이므로

11℃×20g×1㎈/g∙℃ = 220㎈

3) 열량계가 얻은 열량 : 450㎈ - 220㎈ = 230㎈

4) 열량계의 열용량 : 230㎈/11℃ = 20.9㎈/℃ = 87.4J/℃

2. 중화 반응열(HCl+NaOH)

1	0.4M HCl 100㎖ 온도	16 ℃
2	2M NaOH 20㎖의 온도	16 ℃
3	반응 후의 최종온도	20 ℃
4	용액이 얻은 열량(온도증가×120g×1㎈/g∙℃)	480 ㎈
5	열량계가 얻은 열량(온도증가×열량계의 열용량)	83.6 ㎈
6	총 반응 열량 ((4)+(5))	563.6 ㎈
7	0.4M HCl 100㎖에 존재하는 HCl의 몰수	0.04 ㏖
8	0.4M HCl 100㎖와 2M NaOH 20㎖의 반응으로 생성된 H2O의 몰수	0.04 ㏖
9	생성된 물의 몰당 방출한 열량 = 방출한 전체 열량(6)/생성된 물의 몰수(8)	14090 ㎈/㏖
10	(9)를 kJ/㏖로 바꾸어라.	58.95 kJ/㏖

 

1) 용액이 얻은 열량 : ⊿T = 20℃ - 16℃ = 4℃

4℃×120g×1㎈/g∙℃ = 480㎈

2) 열량계가 얻은 열량 : ⊿T=4℃ 이므로

4℃×20.9㎈/℃ = 83.6㎈

3) 총반응열량 : 480㎈ + 83.6㎈ = 563.6㎈

토의 사항 

1. 실험 고찰

본 실험에서는 열량계로 보온병을 사용하였는데, 보온병은 간이 열량계로 쉽게 사용할 수는 있지만 열손실이 있으므로 정밀한 실험 데이터를 얻을 수 없었다. 열량계에는 스티로폼컵 열량계의 봄베 열량계도 있다. 

봄베 열량계는 정확한 반응열을 측정할 수 있다. 봄베 열량계는 주로 연소열을 측정하는데 사용되는데, 용기의 단열로 인해 물질의 연소 시 발생하는 열이 거의 모두 물의 온도를 높이는데 사용되기 때문에 간이 열량계보다 물질의 연소열을 정확하게 측정할 수 있다. 중화반응열 이외에도 연소열을 측정하는 실험을 해보고 싶고, 봄베 열량계를 사용하여 실험을 해보고 싶다.

2. 실험 문제 : 중화반응에 대한 이온 방정식

Na+(aq) + OH-(aq) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O(ℓ) + Na+(aq) + Cl-(aq)

알짜이온 ⇒ H+, OH-

알짜이온 반응식 ⇒ H+(aq) + OH-(aq) → H2O(ℓ)