이상기체 상태방정식과 반데르발스 (Van der Waals) 방정식을 이용한 액체의 몰질량 측정 고찰

소개글

이상기체 상태방정식과 반데르발스 (Van der Waals) 방정식을 이용한 액체의 몰질량 측정 고찰에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험제목

2. 실험목적

3. 실험원리

4. 실험 절차

5. 실험의 의미

6. 실험결과

7. 고찰 및 토의

8. 참고문헌

본문내용

메탄올의 경우는 (다소간의 오차는 있지만) Van der Waals 식을 사용한 경우가 문헌 값에 가까웠지만, 디에틸에테르의 경우는 이상기체 상태방정식을 사용한 경우가 더 문헌 값에 근접한 결과를 나타냈다. 이는 세 가지 정도로 추론이 가능한데, 한 가지는 물의 온도를 정확하게 측정하지 않은 경우이며, 다른 한 가지는 기체의 부피를 측정할 때 주사기의 눈금을 잘못 읽었거나 실험기 재킷의 실린더에 이상이 있는 경우 (누설 등의 원인으로 부피가 실제보다 적게 측정되었을 수 있다.), 또 다른 한 가지는, 액체 (디메틸에테르, 메탄올)의 질량의 측정을 잘 못한 경우 정도로 예측할 수 있다. 이렇게 추론을 하는 이유는 M= + 에서 R, a, b 값은 이미 정해져 있는 값인데 반해, m, T, P, V 값은 실험에 따라 변할 수 있는 조건에 있기 때문이다. 그런데, 여기서 P 값은 대기압인 1atm을 나타내며 실험을 진행하는 시간동안 변함이 없는 값이므로, 이 값 역시 계산식에서 무시될 만 하다. 따라서 m, T, P의 값에 따라 여러 가지 변수가 생길 수 있는 것이다.
m 값의 경우, 액체를 1ml 주사기에 담고 질량을 측정할 때 발생할 수 있는 오차이다. 주사기 내의 액체의 질량을 측정할 때 매우 적은 양을 취했기 때문에, 이를 측정할 때에도 적은 양에도 민감한 반응을 보일 수 있다. 그런데, 액체가 유리재킷에 의해 기화되는 과정에서 전부가 기화되지 않고 주사기 안에 남아 있는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 1ml의 주사기가 완전히 비어야 하는데, 그렇지 않을 경우 “액체의 질량 = 주입 전 주사기의 질량- 빈 주사기의 질량” 에 의해 우변의 우측 항이 더 커지게 되어 측정되는 액체의 질량 값이 실제보다 적어질 수 있다.
T 값의 경우, 273.15 + 재킷 내의 온도가 이에 해당한다. 전열기에 의해 유리 재킷 내의 증류수를 끓이고, 적당한 온도가 되었을 때 이를 온도계로 측정하는 과정을 거친다. 그런데 실험에서 사용한 온도계는 아날로그 방식의 수은 온도계였다. 따라서 온도계가 온도에 따라 나타내는 정도가 어느 정도 오차를 가지고 있기 때문에, 여기서 발생할 수 있는 오차로 실험 결과 값에 충분한 영향을 미칠 수 있다. 또한 전열기로 온도를 일정하게 유지해야 하지만 실제로는 온도가 실험을 통해 소폭의 변화가 있었다. 이것 역시 무시할 수 없는 변수 중의 하나이다.
V 값의 경우, 가장 큰 오차를 나타낼 수 있는 변수가 된다. 실험에서 온도가 일정 수준이 되지 않을 경우에 액체가 기화되는 정도가 매우 적어지게 된다. (일반적으로 물을 100도씨 정도로 끓이면 기화되는 정도가 눈에 보일 정도로 많은 것을 알 수 있으나, 온도가 낮을 경우, 수증기의 양이 온도가 높은 경우에 비해 낮은 것을 일상생활을 통해 알고 있다.) 또한, 유리재킷 내에 달린 유리 주사기의 경우도 부피를 줄일 수 있는 요인이 된다. 유리 주사기에 조금이라도 기체가 셀 수 있는 틈이 있다면, 액체가 기화될 때 상당량의 부피가 누설되므로 실험에 큰 영향을 미칠 수 있다.
실험의 오차를 줄이기 위해서는 m, T, V 값을 정확하게 측정하기 위해 다음과 같은 방법을 사용하도록 한다. m 값의 오차를 줄이기 위해 좀 더 정밀한 전자저울을 사용하고, 1ml 주사기를 유리 재킷 (유리 주사기)에 꽂은 후에 유리주사기의 실린더가 움직임이 없을 때까지, 즉 1ml 주사기 내의 액체가 모두 기화될 때까지 충분한 시간을 갖고 기다린다. 모두 기화되지 않을 경우, 액체의 질량을 측정할 때 1ml 주사기 내에 액체가 존재하여 오차가 발생할 수 있다. T값의 오차를 줄이기 위해서는 가급적 오차가 적은 디지털 온도계를 사용하고, 실험을 통해서 측정을 할 때 온도변화가 발생하지 않도록 주의하도록 한다. V 값을 줄이기 위해서는 유리 재킷의 누설여부를 확인하여 누설이 있는 것이 확인될 경우 유리재킷을 사전에 교체해 주어야 한다. 또한 물의 온도를 충분히 높여주어서 액체가 충분히 많이 기화되도록 해 주어야 한다. (온도가 낮으면 기화되는 정도가 적어지고 분자 사이의 거리가 좁아져서 측정되는 부피가 적어질 수 있다.)
이상기체 방정식은 이상기체일 경우에 적용된다. 하지만, 일상에 존재하는 실제 기체는 분자 간의 거리가 어느 정도 가까워지면 분자간의 인력이 발생하게 되고, 실제 분자는 부피를 가지고 있어서 점으로 표시할 수없고, 분자간의 충돌이 완전탄성이 될 수는 없고, 충돌 에너지는 열에너지로 변환되기 때문에 이상기체와는 거리가 있다. 따라서 Van der Waals 식을 사용하는 것이 실제 기체의 M 값 측정에 더 가까운 값을 보일 것이다. (실제 실험에서는 오차가 발생할 수 있는 위의 조건 중 한 개 또는 그 이상에 문제가 있어서 디에틸에테르의 경우 잘 못된 결과를 얻었다. 이는 오차를 줄이기 위한 방법으로 수정을 가하면 이 역시 Van der Waals 식에 의해 계산된 값이 문헌 값에 가까운 결과를 얻을 수 있을 것이다.)
실험을 통해서 이상기체 상태 방정식과 Van de Waals 방정식에 대한 측정법에 대하여 알 수 있었으며, 실제 기체는 이상기체가 아니기 때문에 Van de Waals 방정식의 경우가 더 문헌 값에 가까울 수 있다는 사실도 숙지할 수 있었다. 실험장비의 사용면에서도 여러 방면으로 다시 생각해 볼 수 있었던 좋은 기회가 될 수 있었던 실험이었다.
8. 참고문헌:
-. 네이버 백과사전 (http://100.naver.com/)
-. [General Chemistry] (2006년), R.Chang, 자유아카데미, p.146~158, p.163-172
-. [화학실험] (제7판), 아주대학교 자연과학대학 화학과, 아주대학교 출판부 p.93~96
-. [분석화학] (제5판), 이용근, 박정학 외, 회중당 p.57-60
-. [최신일반화학] (2000년), 화교재편찬위원회, 동화기술
-. [일반물리학실험] (2003년), 한국물리학회, 청문각
-. 인터넷 엠파스 백과사전 (http://search.empas.com/search/encdic)
-. 인터넷 위키백과 (http://ko.wikipedia.org/)

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