[일반화학실험] 휘발성 물질의 몰질량

 

두 번째 실험은 이상기체방정식 PV=nRT를 이용해 내가 궁금한 물질의 몰질량을 계산하는 방법이다.

식에서 변수가 4가지 (R=기체상수) 이므로 압력, 부피, 몰수, 온도 중 3가지를 알면 나머지 하나를 계산할 수 있다.

 

(이상기체와 실제 기체의 차이?)

이상기체는 물론 실제 기체와 다르다. 이상기체는 기체 사이에 작용하는 힘을 모두 무시한다. 따라서 분자들 간의 인력과 반발력은 없다. 기체 분자들은 서로 충돌하며 무작위적인 운동을 하지만 분자들 간의 충돌은 완전탄성충돌이며, 따라서 운동에너지가 보존된다.

 

중학교 때 배우는 보일의 법칙(압력-부피), 샤를의 법칙(부피-온도), 아보가드로 법칙 (부피-몰수)에서 나타나는 변수들의 관계를 정리하면 PV=nRT, 즉 이상기체방정식이 나온다.

기체상수 R은 상수값이므로 정해져 있다. (0.082 L*atm/mol*K)

 

<실험방법>

알루미늄 호일로 둥근바닥 플라스크의 뚜껑을 만든다. 이 무게를 측정한 후 플라스크 안에 에탄올 약 1mL를 넣는다.

이후 플라스크 안의 에탄올이 모두 증발할 때 까지 플라스크를 물중탕한다.

에탄올이 모두 증발하면, 조금 더 가열시켜주면서 물중탕한 물의 온도를 기록한다.

플라스크를 ice bath에서 식혀 에탄올을 액화시킨다. 이때의 플라스크의 무게를 재고 기록한다. (알루미늄 호일까지)

플라스크의 순수 부피를 안에 증류수를 채워 확인해본다.

 

<실험결과>

내가 측정한 값들은 이러했다.

둥근 플라스크와 알루미늄 호일의 무게 (g)	48.899
Water bath의 온도 (섭씨)	95.1
둥근 플라스크와 알루미늄 호일, 가열 후 남아있는 에탄올의 무게 (g)	49.197
대기압 (atm)	1
둥근 플라스크에 있던 에탄올 중에서 응결된 양의 무게 (g)	0.298
둥근 플라스크의 부피 (ml)	125

 

1. 위의 측정값을 이용해 water bath의 온도와 대기압 상태에서 에탄올의 몰질량을 계산하여라

 

몰질량= 질량x기체상수x절대온도/압력x부피 = 0.298x0.082x(95.1+273.15) / 1x0.125 = 72.0 g/mol

 

2. 실험에 사용한 에탄올의 몰질량을 이론 값과 비교하여 오차율을 계산하여라.

 

(72.0-46.07/72.0) *100 = 36.%

 

3. 증기는 실제로 '이상기체'인가? 아니라면, 우리가 측정한 데이터에서 고려할 점은 무엇이며 이것들이 몰질량 계산에 어떻게 영향을 끼칠지 과학적으로 설명하여라.

 

증기는 이상기체가 아니다. 이상기체와 달리 기체입자 자체의 부피가 있고 가까운 거리에서의 분자간에 작용하는 인력과 반발력이 있다. 실제 기체는 분자들끼리 상호작용하므로 실제압력은 이상압력보다 작아진다. 따라서 몰수를 계산할 때 n이 작아지므로 w/n인 몰질량은 커진다. 또 분자의 크기를 고려하면 실제 부피는 이상부피보다 작아진다. V가 작아지면 비례관계인 n이 작아지므로 마찬가지로 w/n인 몰질량은 큰 값이 나오게 된다.

 

4. 만약 냉각하는 과정에서 모든 기체가 액화되지 않았을 경우, 실험 결과에 어떠한 영향을 미치게 되는가?

 

냉각과정에서 모든 기체가 액화되지 않았을 경우 질량이 더 작게 측정된다. 따라서 몰질량이 작아지게 되므로 오차가 발생할 것이다.

 

5. 에탄올의 초기 양이 이번 실험보다 많거나 적었을 경우, 실험에 어떠한 영향을 미치게 될 것인지 각각 예측하고 그 이유를 설명하여라.

 

i) 많았을 경우: 일정 부피에서 기화되었다가 액화된 에탄올 양은 이번 실험과 비슷했을 것이다. 따라서 몰질량의 변화는 없을 것이다.

 

ii) 적었을 경우: 에탄올 양이 감소하므로 질량 측정값이 감소할 것이고 따라서 몰질량도 감소할 것이다.

 

6. 실험결과를 토대로 오차가 발생한 원인에 대해 설명하시오. (이상기체와 실제기체의 차이에 대해 설명)

 

증기는 실제 기체로, 이상기체와 달리 분자들의 부피와 상호작용 (인력/반발력)을 고려해야 한다. 하지만 몰질량을 계산할 때 이런 특성을 보정하지 않고 이상기체 상태방정식으로 몰질량을 구하였기 떄문에 값이 달랐다. 이외에도 실험 전, 후 무게를 쟀을 떄의 오차와 물의 온도가 높게 나온 것이 이번 실험의 오차의 원인이다.

 

7. 이상기체 상태방정식을 보정해준 반데르발스 방정식을 적고, 방정식의 각 변수와 상수에 대해 설명하시오.

 

<반데르발스 상태 방정식>

 

 

 

 

P: 유체의 압력

V: 유체의 부피

T: 유체의 온도(절대온도)

R: 기체상수

a: 분자사이의 상호작용의 세기

b: 유체를 이루는 입자가 차지하는 부피

 

a=b=0일 때 이상기체 상태방정식과 일치하며 실제기체가 이상기체로부터 얼마나 벗어나있는지 설명한다. a,b는 물질의 특성에 따라 달라진다.