기체확산실험(GASEOUS DIFFUSION EXPERIMENT APPARATUS)

소개글

기체확산실험(GASEOUS DIFFUSION EXPERIMENT APPARATUS)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

LIST OF CONTENTS
LIST OF TABLES
LIST OF FIGURES
ABSTRACT
1. INTRODUCTION
1.1 실험목적
1.2 실험 이론
1.2.1 확산
1.2.2 확산계수
1.2.3 Fick의 법칙
1.2.4 계산 이론
2. EXPERIMENT
2.1 실험 기구 및 시약
2.2 실험 방법
3. RESULT & DISCUSSION
3.1 Raw data
3.2 Results
3.2.1 액상 아세톤의 몰밀도
3.2.2 기상에서의 전체 몰농도
3.2.3 기․액 표면에서의 아세톤이 기상조성
3.2.4 공기 중에서의 아세톤의 확산계수
3.3 Discussion
4. CONCLUSION
REFERENCES

본문내용

위치
3.2 Results
Table 2. ZT2-Z02(cm2) 값
시간(분)
ZT2-Z02(cm2)
0
0
10
0.45
20
1.25
30
1.86
40
2.38
50
2.97
60
3.52
(min)
Figure 3. 시간에 따른 ZT2-Z02(cm2) 그래프
기울기 : 0.0598cm2/min → 9.97×10-4cm2/s
3.2.1 액상 아세톤의 몰밀도
3.2.2 기상에서의 전체 몰농도
대기압 : 772mmHg 일 때,
3.2.3 기액 표면에서의 아세톤이 기상조성
아세톤의 증기압은 온도 Antonion식()에 의해 구할 수 있다. PAB = 456.9mmHg이다.
3.2.4 공기 중에서의 아세톤의 확산계수
DAB : 공기 중에서 아세톤의 확산계수이다.
3.3 Discussion
확산이란 예를 들어 물이 담겨져 있는 컵에 잉크를 한 방울 떨어뜨리면 시간이 지남에 따라 잉크가 퍼져 나가 섞이면서 물 전체가 균일한 색을 나타내게 되는 것을 말하며 액체, 기체, 공기가 없는 진공 속에서 관찰 할 수 있다. 또한 방안에 꽃향기나 방향제의 향기가 퍼져나가는 것, 대기나 해수가 일정한 조성을 가지는 것, 흙 속과 식물체 내의 농도차에 의해 물이 이동해가는 삼투 현상도 확산이라 볼 수 있다.
이번 실험은 물질 전달현상 중에 하나인 확산에 대해 알아보는 실험이었다. 확산은 물에서 보다는 공기 중에서 확산 속도가 빠르고, 공기보다는 진공 속에서 확산 속도가 빠르다. 또한 물질이 퍼져 나가는 속도, 즉 확산 속도는 분자의 무게가 가벼울수록 그리고 온도가 높을수록 빠르다. 실험을 통해서 실험 장치를 이용해 Acetone을 공기나 질소 중으로 증발시켜 확산계수를 구할 수 있었다. 확산계수를 구하기 위해 Fick‘s law법칙을 이용하였는데, 이는 2성분 혼합물이 z 방향으로 농도차가 있을 때 여기에 직각인 단위면적에 대해 단위 시간당 A성분이 확산하는 속도는 단면에서의 농도 기울기에 비례한다는 것을 알 수 있었다.
실험을 통해 구해진 데이터를 이용해서 공기 중에서의 아세톤의 확산계수를 구하였는데, 아세톤의 확산계수의 이론값을 구하지 못하여서 정확한 오차를 찾지는 못하였다. 그러나 만약 오차가 발생하였다면 얻어진 결과 값의 오차의 원인으로는 수치를 측정하는 데 있어서 그 수치를 정확하게 측정하지 못하였다는 점이 가장 큰 원인일 것이다. 그 외에 항온조가 충분히 따뜻하지 않아서 증발이 잘 일어나지 않았다는 점과 아세톤에 섞여있을 불순물 등을 오차의 원인으로 생각해보았다.
4. CONCLUSION
이번 기체 확산 실험은 확산의 개념과 원인에 대해 이해하고, 기체의 계면에서 일어나는 기체 확산 현상을 관찰하는데 있다. 이번 실험은 일정 온도에서 10분 간격으로 아세톤의 높이를 재서 이 데이터를 바탕으로 액상 아세톤의 몰밀도, 기상에서의 전체 몰농도, 기액 표면에서의 아세톤이 기상조성, 공기 중에서의 아세톤의 확산계수를 알아보는 실험이다.
실험은 GASEOUS DIFFUSION APPARATUS를 이용하여 다음과 같이 실험하였다. 우선 주사기를 이용해 Acetone을 모세관의 2/3 정도 주입하고 항온조에 모세관을 수평이 되도록 장착하였다. 그런 후 초기계면 고정나사를 풀어 모세관 안의 액면 높이를 맞춘 후 버니어 캘리퍼스와 아들자를 이용해 Acetone의 처음 높이를 읽었다. 항온조에 깔때기를 이용해 물을 채운 다음 Main S/W를 켜고 밸브를 열었다. 물이 넘치지 않게 밸브를 조정해가면서 항온조의 온도를 올렸다. Suction Pump s/w를 키고 △h를 기록했다. 온도가 40℃로 일정하게 유지되면 10분 단위로 모세관 안의 액면 위치를 5번 기록하였다. 처음 측정 한 높이는 2.48cm, 2.51cm, 2.72cm, 2.83cm, 2.92cm, 3.02cm, 3.11cm로 시간이 증가함에 따라 높이도 증가한다는 걸 알 수 있었다.
우리는 실험을 통해서 기체로서 휘발성이 강한 아세톤을 40℃로 유지되는 항온조를 통해 열을 흡수해 액체가 기체로 증발함에 따라 그 양이 점차 줄어드는 것을 기기 우측에 설치되어 있는 마노미터의 높이가 점차 줄어드는 것을 통해서 볼 수 있었다. 이 때 아세톤은 공기제습기로서 공기를 제거하는 한편, 공기와 차단되었기 때문에 아세톤만 일방확산이 되도록 실험하였다. 이 데이터를 바탕으로 시간에 따른 액면의 (나중 수치)2-(처음수치)2의 값을 계산하여 그래프를 그렸다. 그래프를 그려서 기울기를 구해본 결과 9.97×10-4cm2/s 얻었다. 액상에서의 아세톤의 몰밀도는 식을 이용해 구한 결과 0.01362 gmol/cm3이었으며, 기상에서의 전체 몰농도는 식을 이용해 구한 결과 3.9529×10-5 gmol/cm3이었다. 이때의 대기압은 실험 시 마노미터의 높이 차이를 이용해 마노미터의 높이 차이로 대기압을 772mmHg로 하였다. 또한 기 액 표면에서의 아세톤의 기상 조성을 구한 후 그래프에서 얻어진 기울기 값과 액상에서의 아세톤의 몰밀도, 기상에서의 전체 몰농도를 이용해 확산계수를 구하였다. 식을 이용해 위에서 구한 데이터들과 그래프를 이용해 구한 데이터를 대입하여 확산 계수를 구해본 결과 실험을 통해 얻은 공기 중에서의 아세톤의 확산계수는 0.1917cm2/s이었다.
이 실험을 통해 혼합물이 Z방향(수직방향)으로 농도차가 있을 때 여기에 직각인 단위면적에 대해 단위 시간당 Acetone이 확산하는 속도는 단면에서의 농도 기울기에 비례한다는 것을 알 수 있었다.
실험에서 발생한 오차의 원인에 대해 생각해 본 결과 실제로 아세톤의 확산계수의 이론값을 구하지 못하여서 정확한 오차를 찾지는 못하였다. 그러나 얻어진 결과 값의 오차의 원인을 생각해 본 결과 수치를 측정하는 데 있어서 그 수치를 정확하게 측정하지 못하였다는 점이 가장 큰 원인인거 같다. 그 외에 항온조가 충분히 따뜻하지 않아서 증발이 잘 일어나지 않았다는 점과 아세톤에 섞여있을 불순물 등을 오차의 원인으로 생각해보았다.
REFERENCES
[1] 화학공학부, 화학공학실험, pp. 25, 30-51, 2010
[2] D.A. Porter 저; 김동훈, 김원래 공역, 금속상변태, 2004

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