칼로리미터 실험 예비 및 결과

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칼로리미터 실험 예비 및 결과에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 이론

3. 기구 및 시약

4. 실험 절차
1. 실험 절차
2. 실험 측정값
3. 실험값 계산
4. 결과
5. 토의

본문내용

합하여 평균을 내면, 기준이 되는 항온조의 온도는 18.60℃, 온도계 1 은 20.30℃, 온도계 2 는 20.25℃ 가 된다. 따라서 온도계 1 로 측정한 값은 1.70℃, 온도계 2 로 측정한 값은 1.65℃ 를 빼주어 보정해 주어야 한다.
여기서는 염기와 산 + 염기의 온도를 온도계 1 로, 산을 온도계 2 로 측정하였다. 아래 에 나오게 될 측정값들은 모두 보정을 마친 값이다.
( 2 ) 열량계의 열용량 측정
증류수와 ( 증류수 + 얼음물 ) 의 온도는 온도계 1 로, 얼음물은 온도계 2 로 측정하였다.
증류수의 온도 ( ℃ )
12.50
얼음물의 온도 ( ℃ )
-1.50
( 증류수 + 얼음물 ) 의 온도 ( ℃ )
10.75
( 3 ) 의 중화열 측정
1.
2.
의 온도 ( ℃ )
15.00
15.10
의 온도 ( ℃ )
15.45
15.45
( + ) 의 온도 ( ℃ )
16.90
17.30
( 4 ) 의 중화열 측정
1.
2.
의 온도 ( ℃ )
17.00
16.40
의 온도
( ℃ )
16.15
16.35
( + ) 의 온도 ( ℃ )
19.20
19.30
( 5 ) 의 중화열 측정
1.
2.
의 온도 ( ℃ )
17.30
17.40
의 온도
( ℃ )
16.80
16.65
( + ) 의 온도 ( ℃ )
18.70
18.80
3. 실험값 계산
( 1 ) 열량계의 열용량 계산
( 얼음물이 얻은 열량 ) = ( Dewar 병 및 내부의 500 ㎖ 증류수 ) 가 잃은 열량
위의 식이 열량 계의 열용량을 계산하는 기본식이 된다. ( 열량 ) = ( 열용량 )( 온도 변화 ) , ( 열용량 ) = ( 비열 )( 질량 ) 이고, 1 ㎈ = 4.186 J 4.19 J , 얼음물의 밀도 = 1 g/㎖ 라 두면, 100 ㎖ 얼음물의 무게는 100 g 이 된다. 따라서 얼음물의 밀도는,
( 4.19 joule / gdeg ) ( 100 g ) = 419 joule/deg
Dewar 병 및 내부의 500 ㎖ 증류수의 열용량을 라 하면,
( - )
여기서 는 열량계의 최종온도 ( = 10.75℃ ), 는 얼음물의 최초온도 ( = -1.50℃ ), 는 열량계의 온도변화 ( = ( 12.50 - 10.75 ) ℃ ), 는 열량계와 물 500 ㎖ 를 합한 계의 열용량 ( 단위 joule / deg ) 이다.
위에서 구한 값 는 ( 열량계 + 물 500 ㎖ ) 의 열용량이다. 하지만 산의 중화열 측 정에서 필요한 값은 ( 열량계 + 0.2N 염기 500 ㎖ + 1.0 N HCl 용액 100 ㎖ ) 의 열용량 값이다. 이 값을 라고 하고, 산 또는 염기의 묽은 용액과 증류수의 열용량이 같다고 가정하면 의 값은,
+ ( 물 100 ㎖ 의 열용량 ) + ( joule / deg ) ( 100 g )
3351 joule / deg
에 열량계의 온도 변화 를 곱한 값이 중화반응에서 발생한 열량이다.
( 2 ) 산의 중화열 계산
이 실험에서는 1.0 N 산성 용액 100 ㎖ 안의 산 0.1 mol 과 0.2 N NaOH 500 ㎖ 안의 NaOH 0.1 mol 이 반응하였다. 즉, 이 실험에서 발생한 중화열은 0.1 mol 의 가 생성되면서 발생하는 생성열과 같은 것이다.
1) 의 중화열 계산
는 열량계의 최종 온도에서 NaOH 의 처음 온도를 뺀 값이다.
1.
2.
( ℃ )
1.90
2.20
발생된 중화열 ( J )
6366.9
7372.2
몰 당 중화열
( J / mol )
63669
73722
몰 당 중화열은 발생한 중화열의 열량에 생성된 의 몰 수 0.1 mol 을 나눈 값 이다.
2) 의 중화열 계산
1.
2.
( ℃ )
2.20
2.90
발생된 중화열 ( J )
7372.2
9717.9
몰 당 중화열
( J / mol )
73722
97179
3) 의 중화열 계산
1.
2.
( ℃ )
1.40
1.40
발생된 중화열 ( J )
4691.4
4691.4
몰 당 중화열
( J / mol )
46914
46914
4. 결과
문헌에 나와있는 몰 중화열의 값은 대략 57200 J 정도이다. 하지만 황산의 경우, 문헌치를 훨씬 웃도는 수치가 나왔고, 그보다는 덜하지만 염산을 사용한 실험에서도 상당히 높은 값 이 나왔다. 하지만 약산인 아세트산의 실험에서는 문헌치보다 약 18 % 정도 낮은 값이 나왔다.
5. 토의
염산, 황산, 아세트산의 세 가지 산을 가지고 각 산마다 두 번씩 실험을 하였다. 그런데 강산인 염산과 황산의 경우에서, 두 번의 실험 데이터가 서로 크게 차이가 나고 말았다. 특히 황산의 실험에서 그러한 경향이 크게 나타났다. 그리고 약산인 아세트산의 경우에는 문헌치인 57200 J 보다 작은 값이 나왔는데, 이는 어느 정도 이론과 부합한다고 할 수 있다. 약산이나 약염기가 중화될 때에는, 수용액 속에서 이온화되는 정도가 낮어와 의 농도가 강산 또는 강염기보다 작기 때문에 중화열은 강산과 강염기의 경우보다 더 작게 측정된다.
강산의 경우에서 이와 같은 큰 오차가 나온 이유를 추정해보자면, 가장 먼저 온도계 사용 의 미숙함을 들 수 있다. 실험값의 계산 방식상 온도차가 0.1 ℃ 만 크게 나도 계산값은 큰 폭으로 변화한다. 우리가 온도계를 읽을 때는 0.05 ℃ 정도를 가장 기본 단위로 하고 읽었는데 그 것이 얼마나 정확한 것이었는지는 자신이 없다. 기구 조작에 좀 더 능숙했더 라면 훨씬 정확한 값을 얻을 수 있었겠지만 유감스럽게도 그러지 못했다.
그 외에 열량계 안의 NaOH 용액의 온도와 넣어주는 HCl 용액의 온도를 동일하게 맞추지 못한 점, 열량계 자체가 완전히 단열되지 못한 점 등이 오차의 원인이 될 것이다. 아마도 이러한 요인들이 반응 전후의 온도차를 크게 했을 것이고 따라서 문헌치보다 큰 오차값을 유도했을 것으로 여겨진다. 열역학 제 1 법칙에 따라 열량계와 그 내부에 담길 산과 염기의 용액이 이루는 계는 외부와의 에너지 교환이 없는 닫힌 계여야 하고, 거기에 정확한 온도와 시약의 농도, 부피의 계측이 뒷받침되어야 측정한 실험값의 신뢰도 를 높일 수 있다. 하지만 이러한 조건들이 충족되지 못했기에 오차가 크게 날 수 밖에 없었을 것이다.

키워드

칼로리미터,   열량,   열용량,   화학계,   중화,   열량계