물리화학실험 -칼로리미터(Calorimeter)를 이용한 중화열 측정

소개글

물리화학실험 -칼로리미터(Calorimeter)를 이용한 중화열 측정에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

액 및 Dewar병의 열용량을 구하기 위해 먼저 열용량 측정 실험을 두 번에 걸쳐 시행하였다. 이는 ‘얼음물이 얻은 열량 = Dewar병 및 그 안에 든 500ml의 물이 잃은 열량’ 라는 관계를 이용한 것으로, 모든 실험과정이 단열과정에서 일어난다는 가정하에서 나온 식이다. 위의 관게를 식으로 나타내면 = 이고, 이 식에 따라 계의 열용량을 측정해보면 C'값은 2241.71J/℃이다. 그러나 이 값은 열량계 및 물 500mlfm 합한 계의 열용량이므로, 물을 채웠을 때의 열량계의 열용량과 산 및 염기 용액을 채웠을 때의 열량계의 열용량은 서로 같다는 가정하에서, C'의 값에 용액 100ml의 열용량에 해당하는 418.4J/℃를 더해주어야 한다.
이렇게 해서 얻어진 계의 열용량 C의 값은 2660.11J/℃이다.
열용량이 주어졌으므로 다음에는 본격적으로 중화반응 실험에 들어갔다. 이 실험은 0.2N의 용액 500ml에 1.0N의 산용액을 100ml씩을 넣어 중화반응 시켰을 때 생기는 열량을 측정해보는 것이었다. 와 중화반응 시킨 산은 ,, 였으며 각 용액마다 두 번씩 실험하였다. 중화열 측정은 중화반응 전후의 온도 변화 △T를 측정함으로써 구할 수 있었다. 실험은 먼저 Dewar병에 용액을 넣고 온도가 일정해지면, 산 용액을 가하여 중화반응 시킨 후 다시 온도가 일정해지면 그 온도를 측정하는 것이었다. 용액에 산 용액을 가하자 온도계의 온도가 급격히 상승하는 것을 볼 수 있었다. 산 용액을 넣는 도중에 중화반응이 진행되어서, 산 용액이 완전히 Dewar 병 속으로 투입되는 것과 거의 동시에 열량계 내부의 온도가 일정해져서 중화반응이 완결되었음을 알 수 있었다.
온도변화는이 가장 컸고, 다음이 , 그리고의 온도변화가 가장 작았다. 열량은 온도변화에 비례하므로, 이것으로 보아서 중화열도 같은 순으로 결과가 나올 것을 짐작할 수 있다.
실험을 통해 △T를 구하면, 여기에 미리 구해놓았던 열량계의 열용량 C를 곱해줌으로써 중화열을 구할 수 있다. ( Q = C△T) 그러나 이렇게 구한 열량은 산이나 염기 용액 전체의 중화열이므로, 몰당 중화열을 구하기 위해서는 산, 염기의 몰수 인 0.1을 나누어 주어야 한다. 왜냐하면, 열량계 내부의 염기 농도와 산의 농도는 각각 , 이므로
반응은 0.1mol 당 일어난 것이기 때문이다.
따라서 몰당 중화열을 구하는 식은, 가 된다. 이 식에 따라 각 산 용액의 몰당 중화열을 구해보면, 그 값은 예상했던 대로 〉 〉 의 순으로 나오게 된다. 이는 약산이나 약염기 일수록, 수용액 속에서 이온화되는 정도가 낮아와 의 농도가 강산 또는 강염기보다 작기 때문에 중화열이 강산과 강염기의 경우보다 더 작게 측정되기 때문이다.
문헌에서 알아본 묽은 강산 용액의 몰당 중화열은 57200J/mol 이었다. 과 의 실험값은 문헌치 보다 더 크게 측정되었고, 은 이보다 작게 측정되었다. 또한, 중화열은 센 산, 센 염기의 반응일수록 더 크게 측정되므로, 이론상으로는 세 산 중에서 제일 강산인 의 중화열이 가장 커야할 것이다. 세 산 중에서 의 중화열이 문헌치에 가장 가까운 값을 가지는 것도 문헌치의 조건에서 보는 바와 같이 이 묽은 강산 용액이기 때문이다.
이렇게 문헌값과 실험값 사이에 오차가 생기는 까닭은 첫 번째로, 실험 전 산용액을 만드는 과정에서 농도를 잘못 맞춰졌을 가능성에 있다.
중화열은 용액의 농도에 따라서 크게 차이가 나므로, 초기에 산 용액의 농도를 잘못 맞추어 주면 충분히 묽은 용액에서 측정한 값인 문헌치와 차이가 날 수 있다. 이번 실험 결과에서는보다 더 강산인 보다도 중화열이 더 크게 나온 것으로 보아, 의 농도를 특히 잘못 맞추어 준 것 같다.
두 번째는 온도계의 정밀도가 떨어진다는 점이다. 비록 계산 전에 온도계 보정을 마쳤지만, 사실 온도계 보정 실험도 실험 시간 부족으로 인해 한 번 밖에 해보지 않아서 정확하게 보정이 이루어 졌는지 조차도 불분명하다.
그 밖에도 중화반응에서, 반응전용액과 산 용액의 온도를 똑같이 해주지 못한점, 열량계 내외부가 단열이 안 된점, 또한 계의 열용량이 잘못 측정되었을 가능성 등이 오차의 원인이 될 수 있다.
이번 실험에서는 정확한 온도 및 부피 측정과 시약의 농도, 열량계의 완전한 단열 등 각종 실험 조건이 완전히 뒷받침되고, 실험 시 조원간의 협응이 잘 이루어져서 실험을 정확하고 빠르게 진행해야 오차를 줄일 수 있고 나아가 측정한 실험값의 신뢰도도 높일 수 있다는 것을 배웠다.

키워드

칼로리미터,   중화열 측정,   열용량,   노르말 농도