열량계법에 의한 중화열의 측정

소개글

열량계법에 의한 중화열의 측정에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 제목

2. 실험일자

3. 실험목적

4. 이론적 배경

5. 시약 및 기구

6. 실험 방법

7. 결과 및 DATA 처리

8. 토의 및 고찰

9. 참고문헌

본문내용

이번 실험은 매우 작은 온도 차이에도 열량 측정값이 많이 다르므로 보다 정확한 온도 측정을 필요로 한다. 그러나 열량값이 훨씬 크게 나왔다. 미루어 생각해 보면 중화열 측정시 온도 측정을 정확하게 하지 못해 오차의 한 요인으로 작용한 것 으로 생각된다. 이를 분률오차공식을 써서 NaOH와 HCl 중화열 측정 실험이 어느 정 도 오차가 나는지 써보겠다. (일단, 앞서 말한 열용량에 대한 문제는 고려하지 않고 순수 중화열 온도측정만 고려하였다.)
( : 정확한 온도변화값 , : 온도변화값 오차)
( : 정확한 중화열량, : 중화열량에 대한 오차)
어떤 양의 정확한 값을 알고 있다면 이 값과 측정값의 차이를 정확한 값을 나눈 것을 분률 오차라 하는데, 위에서 다음 개념을 식으로 나타내면 측정 값이 훨씬 크게 나왔 으므로 으로 표시한다.
분률오차에 100을 곱하면 퍼센트 오차가 된다.
이번 실험에서 NaOH와 HCl 중화열 측정에서 온도에 대한 퍼센트 오차는 10.8%이 다. 즉, 정확한 온도에 10.8%의 오차가 더하여져 측정이 되었다. 57200J이 되려면 중화열의 온도 변화는 1.99℃정도 되어야 한다. 이를 보아 작지만 상당히 큰 오차라 할 수 있다. 열량은 작은 온도 변화에도 민감하기 때문이다. 그런데, CH3COOH는 약 산이므로 위에서 말한 강염기 강산반응일 때만 57200J이라서 정확한 중화열 값을 알 지 못해 오차분석을 할 수 없었음을 밝힌다. 앞에서 말한 것처럼 다음의 오차 분석은 열량계의 열용량이 정확하다는 조건하에 분석한 것이므로 열용량의 오차를 덧붙여 설 명하게 되면 온도에 대한 퍼센트 오차는 조금 낮아질 것이다.
이번에는 이 실험을 통해 알게 된 사실에 적고자 한다.
① 압력이 일정할 때 열량을 계산하는 공식은 다음과 같다.
(단, 가 좁은 온도 범위에서 일정할 때 성립한다.)
실험 중에 100ml 얼음물이 얻은 열량과 증류수 500ml가 잃은 열량(열량계가 잃은 열 량)은 같다고 한 것을 볼 수 있다. 단열과정(단열정압열량계)에서 반응물이 생성물로 될 때 는 0이란 사실을 참고 문헌에서 알 수 있었다. 즉, 단열과정에서 열의 변 화는 없다는 말이다. 단열과정에서는 열이 외부에서 들어오지 못하고 열을 잃을 수도 없다. 결국 증류수 500ml가 잃은 열량(열량계가 잃은 열량은 고스란히 100ml 얼음물 이 얻게 되고 두 열량은 같게 된다.
② 중화열 측정 공식에서 0.1를 나누는 것을 볼 수 있다. 이것은 몰당 중화열을 계산하 기 위함인데 열량계의 온도상승은 0.1몰의 산이나 염기의 중화에서 발생되는 열량에 의한 것이기 때문에 열량을 0.1로 나누는 것이다.
③ HCl의 중화반응과 CH3COOH의 중화반응시 열량은 차이가 있음을 알 수 있다. 이것 은 두 용액의 산의 세기가 다르기 때문이다. HCl은 강산인 반면 CH3COOH은 약산이 다. 따라서 반응 할 수 있는 이온의 수가 다르다. 염산의 경우 반응 할 수 있는 이온 이 많아 반응열이 높은 반면에 아세트산은 반응하는 이온의 수가 적기 때문에 반응열 이 상대적으로 낮게 된다.
④ 참고 문헌을 읽다가 생각한 것인데 강산 1몰과 강염기 1몰의 반응시 중화열은 57200J이란 사실에서 강산, 강염기의 종류와 관계없이 같다는 사실에 의문을 품게 되었다. 인터넷 자료를 찾은 결과 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
모든 산-염기 반응에 있어서 실제로 일어나는 반응식(알짜이온반응식)은
이기 때문이다. HA가 산이고 MOH가 염기라고 하면, A-와 M+는 실제 중화반응에 참 여하지 않기 때문에 어떤 산인지, 어떤 염기인지는 그리 중요치 않는다. 따라서 중화 열도 같다.
다음으로 실험과정에 대한 고찰을 적고자 한다.
① 단열열량계의 마개를 제대로 막아야 한다. 단열열량계의 마개가 제대로 닫혀있지 않 으면 중화반응시 열의 상당량이 밖으로 빠져나가 온도 측정에 영향을 주게 된다. 앞 에서 설명한 이므로 열량의 변화도 0이 되어야 하지만 열이 빠져나가게 되면 위의 공식이 성립하지 하지 않게 되고 온도 측정시 훨씬 낮게 측정되어 열량도 57200J보다 낮은 값을 갖게 되니 주의해야 한다.
② 일반 온도계를 사용하게 되면 정확한 온도 측정이 불가능하다. 가능하면 베크만 온도 계를 사용하는 것이 좋다.
③ 시료의 양은 다음 공식을 써서 결정한다.
1 노르말 농도(1N)는 1L의 용매에 1당량을 함유된 것을 의미한다. 여기서 당량수는 이다. 여기서 당량 무게는 산 염기 반응에서 로 정의된다. 이번 실험에서 H+의 수 및 OH-의 수는 1이므로 당량 무게는 화학식량 이다. 화학식량은 1mol에 대한 화학식량을 사용한다.
다음은 위의 공식을 적용해 사용된 시료들의 양이다.
그리고 NaOH의 경우에는 조해성을 가지고 있어서 시료의 농도를 맞추는 과정에서 수산화나트륨의 경우 공기 중에서 잘 녹아 거름종이에 붙어 약간의 시료 질량의 오차 가 생길 수도 있다.
④ 이 실험에서는 열량계의 열용량을 측정하기 위해 얼음물을 사용한다. 그 이유는 얼음 물이 0℃에 거의 완벽하게 가까워지기 때문이다. 그러나 실험하는 과정에서 얼음물은 0℃는 되지 않는다. 얼음은 녹으면서 주위의 열을 흡수하여 온도가 내려가는 것이다. 그러나 얼음이 다 녹게 되면 더 이상 열을 흡수하지 않고 온도도 더 이상 내려가지 않는다. 그래서 우리가 실험한 것을 보면 0.9℃정도에서 더 이상 내려가지 않았다. 그리고 열량계에 얼음물을 부을 때 얼음이 남아있어서는 안된다. 앞에서 말한 것처럼 얼음은 상전이시 열을 흡수하기 때문이다. 그러므로 온도가 계속 내려가게 되므로 얼 음을 완전히 녹인 상태에서 얼음물을 사용하도록 해야 한다.
⑤ 이번 실험의 관건 중 하나가 정확한 용액의 부피 측정이다. 앞에서 알아보았듯이 정 압 열용량에 부피 개념이 포함된다. 이는 부피 변화가 열용량에 영향을 준다는 뜻이 다. 특히 얼음물을 넣는 과정 전에 100ml가 아닐 경우의 분률 오차 값을 생각해보자.
분률 오차 값에 대한 식은 다음과 같다.
9. 참고문헌
물리화학실험(서문출판사) P157 ~ P162
물리화학실험(탐구당) P102 ~ P105
physical chemistry

키워드

열량계법,   중화열,   물리화학실험,   물리화학,   실험