[일반화학실험 A+ 1등 레포트] 실험 16. 어는점 내림에 의한 분자량 결정 실험 결과보고서

소개글

[일반화학실험 A+ 1등 레포트] 실험 16. 어는점 내림에 의한 분자량 결정 실험 결과보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 데이터 및 처리

Part I: 순수한 lauric acid의 어는점

1. 사용한 lauric acid의 무게: __________________ g

2. 수집한 온도 데이터로부터 순수한 lauric acid의 어는점을 결정한다. 어는점은 온도 그래프에서 온도가 거의 일정한 부분의 평균 온도를 사용한다.

(온도 그래프 첨부)

- 어는 점 구하는 과정

Lauric acid의 어는점:



Part II: lauric acid 혼합용액의 어는점

1. 수집한 온도 데이터로부터 lauric acid 혼합용액(1)의 어는점을 결정한다. 혼합용액이 어는 동안 온도는 계속하여 감소하므로, 혼합용액의 어는점은 아래의 그림에서와 같이 두 직선이 교차하는 온도로 결정한다.

(온도 그래프)

- 어는 점 구하는 과정



2. 같은 방법으로 lauric acid 혼합용액(2)의 어는점을 결정한다.

(온도 그래프)

- 어는 점 구하는 과정



3. Lauric acid + benzoic acid 혼합용액에서 benzoic acid의 몰랄농도(m)를 구하고, 이와 어는점 내림(ΔTf)으로부터 lauric acid의 어는점 내림 상수(Kf)를 구한다.


- 몰랄농도(m) 계산 과정

ⅰ) 혼합용액(1)의 benzoic acid 몰랄농도 (m)

ⅱ) 혼합용액(2)의 benzoic acid 몰랄농도 (m)

- 어는점 내림() 계산 과정

ⅰ) 혼합용액(1)의 benzoic acid 어는점 내림

ⅱ) 혼합용액(2)의 benzoic acid 어는점 내림

- Lauric acid의 계산과정

ⅰ) 혼합용액(1)의 benzoic acid 기준으로 계산한 Lauric acid의

ⅱ) 혼합용액(2)의 benzoic acid 기준으로 계산한 Lauric acid의


Part III: 미지시료의 분자량

1. Part II에서와 같은 방법으로 lauric acid 혼합용액(3)의 어는점을 결정한다.

(온도 그래프)

- 어는 점 구하는 과정


2. 같은 방법으로 lauric acid 혼합용액(4)의 어는점을 결정한다.

(온도 그래프)

- 어는 점 구하는 과정


3. Lauric acid + 미지시료 혼합용액의 어는점 내림(ΔTf)과 lauric acid의 어는점 내림 상수(Kf)로부터 미지시료의 몰랄농도(m)를 구하고 분자량을 결정한다.

Lauric acid의 어는점 내림 상수, Kf

- 어는 점 내림 구하는 과정

ⅱ) 혼합용액(4)의 미지시료 어는점 내림

- 몰랄농도(m) 계산 과정

ⅰ) 혼합용액(3)의 미지시료 몰랄농도 (m)
ⅱ) 혼합용액(4)의 미지시료 몰랄농도 (m)


- 분자량 구하기


ⅰ) 혼합용액(3)의 미지시료 분자량 구하기

ⅱ) 혼합용액(4)의 미지시료 분자량 구하기


- 실험 결과에 대한 고찰


- 다음의 질문에 답하시오.

1. 순수한 물질은 어느 동안 온도가 일정하다. 그러나 용액은 어는 동안 왜 온도가 계속 감소하는가?

2. 자동차 부동액에 사용되는 ethylene glycol 1 몰랄 수용액의 어는점은 약 -2 ℃이고, NaCl 1 몰랄 수용액의 어는점은 약 -4 ℃ 이다. 이 차이를 설명하라.

3. 바닷물의 염분의 농도는 보통 35‰ [퍼밀(per mil), 천분율] 정도이다. 바닷물의 염분 조성은 모두 NaCl로 이루어져 있다고 가정하고, 바닷물의 어는점 내림을 구하라. 바닷물의 어는점 내림은 추운 겨울에도 바닷물이 얼지 않는 이유를 설명할 수 있는가?

4. Part IV에서 비누는 어떠한 반응을 통하여 만들어진 것인가?


- 참고문헌

본문내용

도센서, 가열판, 스탠드/클램프, 비커, 시험관, 시험관집게, 저울이 있으며, 주로 사용된 시약은 lauric acid, benzoic acid, 미지시료 A,B, 0.5M KOH가 있다. 실험 기구의 사용법과 사용 시 유의사항 그리고 용액의 물리/화학적 특성과 사용 시 주의해야하는 사항에 대해 사전에 조사하고 익혀두어야 한다.
본 실험자는 이번 실험을 통해 어는점 내림을 활용하여 미지시료의 분자량을 결정하는 방법에 대해 이해할 수 있었다. 또한, 어는점 내림에 관련된 식을 활용하여 몰랄 농도를 결정하는 방법과 LoggerPro 프로그램을 활용하여 수집한 온도 데이터로 그래프를 그리고 온도 점들을 이은 두 곡선을 통해 어는점을 결정하는 방법에 대해서도 명확하게 익힐 수 있었다. 뿐만 아니라, 본 실험에 적용된 이론을 활용하여 바닷물이 겨울철에도 얼지 않는 이유와 순수한 용매와 달리 용액의 어는 동안 온도가 내려가는 이유 등에 대해 탐구해 볼 수 있었다.
본 실험에서는 유효숫자를 맞추어 줌에 따라 반올림의 오차와 실험 과정 중 용해 과정에서 시험관 벽면이나 온도 센서에 고체가 남아 있는 점에 의해 실험 오차가 발생하였다. 더불어, 용액의 그래프는 어는점이 선명하게 나타나는 순수 액체의 그래프와 달리 얼면서 농도가 바뀌기 때문에 어는점이 선명하게 나타나지 않았으며 어는점을 구하기 위하여 기울기가 어는점에서 꺾어지는 점을 기반으로 용액일 때 온도 변화를 나타내는 점들을 이은 직선과 용액이 얼고 난 다음 온도 변화를 나타내는 점들을 이은 직선을 긋고 교차점을 찾는 과정을 통해 결정하였다. 이러한 과정에서도 오차가 발생한 것으로 사료된다.
이와 같은 오차를 줄이기 위해서는 반복 실험을 통해 평균값을 활용하면 오차가 줄어들 것으로 추측된다. 또한, 시험관 벽면이나 온도센서에 잔여한 고체가 없는지 명확하게 파악한 다음 온도 측정을 지속해야 한다. 이러한 정밀한 실험과정을 통해 보다 오차가 적은 실험 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. 순수한 물질은 어느 동안 온도가 일정하다. 그러나 용액은 어는 동안 왜 온도가 계속 감소하는가?
순수한 물질은 액체가 고체로 응고되는 동안 액체가 가지고 있는 열이 방출되므로 냉각을 시켜도 온도가 더 이상 내려가지 않는다. 즉, 응고열이 방출되어 어는 동안 온도가 일정하다. 그러나 용질과 용매가 혼합되어 있는 용액은 용질이 용매 분자간의 결합을 방해한다. 즉, 용질이 용매의 결정화를 방해함에 따라 어는 동안 온도가 계속 감소하는 것이다. 더불어, 용질에 비해 비교적 빠르게 결정화 되는 용매가 응고되어 상대적으로 양이 줄어드는 반면 용질의 양은 일정하다. 이에 따라 용액의 농도가 높아지며, 농도와 어는점 내림은 비례하므로 어는 동안 온도가 계속 감소하는 것이다.
2. 자동차 부동액에 사용되는 ethylene glycol 1 몰랄 수용액의 어는점은 약 -2 ℃이고, NaCl 1 몰랄 수용액의 어는점은 약 -4 ℃ 이다. 이 차이를 설명하라.
이다.
자동차 부동액에 사용되는 ethylene glycol은 비전해질이므로 반트호프 인자 이다.
이온에서 반트호프 인자는 양이온의 계수와 음이온이 계수를 합한 것으로 고려하므로 비전해질인 의 경우에는 반트호프 인자가 이다.
ethylene glycol과 NaCl의 용매가 물로 동일하므로 으로 동일하다.
자동차 부동액에 사용되는 ethylene glycol과 NaCl의 몰랄농도와 몰랄 어는점 내림 상수가 동일하므로 반트호프 인자에 따라 어는점 내림이 바뀐다.
ethylene glycol의 반트호프 인자 이고 의 반트호프 인자는 2이므로 몰랄농도와 몰랄 어는점 내림 상수가 동일할 때 어는점이 2배 차이나는 것이다.
3. 바닷물의 염분의 농도는 보통 35‰ [퍼밀(per mil), 천분율] 정도이다. 바닷물의 염분 조성은 모두 NaCl로 이루어져 있다고 가정하고, 바닷물의 어는점 내림을 구하라. 바닷물의 어는점 내림은 추운 겨울에도 바닷물이 얼지 않는 이유를 설명할 수 있는가?
이다.
바닷물의 염분의 농도는 보통 35‰ 정도이므로 임을 알 수 있다.
이므로
이다.
, 용매인 물의 몰랄 내림 상수는 이다. 이온에서 반트호프 인자는 양이온의 계수와 음이온이 계수를 합한 것으로 고려하므로 의 경우에는 반트호프 인자가 2이다.
또한, 이므로 바닷물의 어는점 내림은 다음과 같다.
위 수식과 같이 어는점 내림은 반트호프 인자와 몰랄 농도 그리고 몰랄내림 상수에 비례한다. 바닷물은 다양한 염류가 녹아있는 비교적 고농도의 용액이며 염분(NaCl)이 용해되어 있으므로 반트호프 인자가 일반 화합물에 비해 큰 값을 가지며 몰랄농도도 더 큰 값을 갖는다. 이에 따라 바닷물의 어는점 내림이 다른 강물이나 호수에 비해 더 큰 값을 나타낸다.
따라서 바닷물의 어는점 내림을 활용하여 추운 겨울에도 바닷물이 얼지 않는 이유를 설명할 수 있다.
4. Part IV에서 비누는 어떠한 반응을 통하여 만들어진 것인가?
Part IV에서 비누는 에스테르화 반응을 통해 만들어진 것이다.
산과 알코올이 반응하여 에스테르를 생성하는 반응을 에스테르화 반응이라고 한다. 에스테르화 반응은 알코올의 수소 원자가 카르복시산의 아실기로 치환되는 형태를 나타낸 것이다. 카르복시산과 알코올의 혼합물에 진한 황산을 첨가한 후 가열하면 에스테르와 물이 생성되며 두 분자에서 물이 한 분자가 되어 두 분자가 결합하는 반응을 축합 반응이라고 한다. 에스테르화 반응은 역으로 발생하기도 한다. 에스테르에 물을 첨가하고 가열하면 카르복시산과 알코올이 생기며 이를 가수 분해 반응이라고 한다. 본 실험에서 benzoic acid 은 벤젠에 카르복시기가 붙어 있는 구조이며 KOH는 수산화기를 포함하고 있는 구조이다. 이에 따라 카르복시기와 수산화기가 반응하여 에스테르와 물을 형성하면서 비누가 생성된 것이다.
참고문헌
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일반화학, Steven S. Zumdahl, Cengage, 2018, 556쪽

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