일반화학실험 | 수소 이야기

 

 

 

TIP

 

 

1. 수소는 우주의 탄생과 함께 탄생해 지금까지도 우주에서 가장 풍부한 원소로 존재하고 있다. 또한 수소는 생체에서 중요한 모든 화합물에 빠짐없이 들어있는 핵심적인 원소이다. 그러나 수소는 대부분 화합물의 형태로 존재한다. 
2. 본 실험에서는 화합물에 포함되어있는 수소가 어떻게 발생하는지 탐구해보고, 수소의 성질, 반응성, 선스펙트럼 등 여러 가지 특성을 살펴본다.

 

 

 

수소와 헬륨은 지금부터 약 150억 년 전 빅뱅 우주에서 태어난 가장 오래된 원소이다. 우주의 나이가 3분 정도 되었을 때 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1 정도가 되었고, 이 비율은 지금도 거의 유지되고 있다. 이처럼 수소는 우주의 주성분 원소일 뿐 아니라 지구상에도 가장 풍부한 원소이며, 특히 생체에서 중요한 모든 화합물에 빠짐없이 들어있는 핵심적인 원소이다.

 

그러나 지구상에서 수소는 원소 상태로는 거의 존재하지 않는다. 수소는 가볍기 때문에 지구의 탈출속도(escape velocity)를 넘어서 지구에는 별로 남아있지 않기 때문이다. 지구상의 거의 모든 수소는 물에 잡혀있다. 이 실험에서는 화합물에 붙잡혀 있던 수소가 어떻게 발견되었는지 재현해 보고, 같은 실험을 통해 금속의 당량을 결정해 본다. 또한 폭명 실험으로 수소의 반응성을 확인하고 수소와 산소의 전기음성도 차이의 의미를 체험한다. 아울러 기체방전관과 간단한 분광기를 사용하여 선스펙트럼을 직접 관찰한다.

 

 

수소 이야기

1920 연대까지만 해도 별들의 원소 성분도 지구와 별로 다를 게 없으리라 생각되어 왔다고 한다. 그런데 지금은 우주 전체에는 수소와 헬륨이 약 3:1의 질량비로 섞여 있고 다른 모든 원소의 합은 1%정도 밖에 안된다는 사실이 잘 알려져 있다. 우주에 제일 많은 원소는 무엇일까 하는 문제에 대한 해답은 하버드 천문학과에 유학하고 있던 영국 여학생 Cecilia Payne에 의해 제시되었다.

 

Payne은 수많은 별로부터 나오는 별빛을 조사하다가 모든 별은 수소의 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다는 사실을 발견했다. 뿐만 아니라 산소, 철 등 무거운 원소의 스펙트럼은 수소에 비해 백만 배 정도나 약한 것도 발견했다. 수소는 우주의 주성분 원소일 뿐 아니라 지구상에도 가장 풍부한 원소이며, 특히 생체에서 중요한 모든 화합물에 빠짐없이 들어있는 핵심적인 원소이다. 그러나, 지구상에서 수소는 원소 상태로는 거의 존재하지 않는다. 수소는 가볍기 때문에 지구의 생성 과정에서 이탈속도(escape velocity)를 넘어서 지구에는 별로 남아있지 않기 때문이다. 지구상의 거의 모든 수소는 물에 잡혀있다.

 

 

실험 방법

실험 1. 수소의 발생과 폭명성 시험

1) 가지달린 플라스크의 가지에 고무관, 빨대를 차례로 연결한다.

2) 아연조각을 넣고 6 N 염산을 가한다.

3) 빨대 끝에 비눗방울이 생기면 빨대를 살짝 흔들어 비눗방울을 공중으로 띄운 후 라이터를 이용하여 불을 붙여본다. (비눗방울을 빨대에 매단 채로 불을 붙이면 플라스크채로 폭발할 수 있으니 반드시 비눗방울을 공중으로 띄운다.)

 

실험 2. 금속 원소의 당량 결정

1) 비커에 물을 2/3쯤 담고 물이 가득 찬 메스실린더를 뒤집어 넣는다.

 

2) 금속의 표면을 사포로 문지르고 약 40㎎을 취하여 가지달린 플라스크에 넣는다.

 

3) 금속이 약간 잠길 정도로 주사기로 6 N HCl을 주입(1∼2㎖)한다.

 

4) Stirrer를 작동시켜 기체를 포집하고 금속이 더 이상 보이지 않으면 메스실린더로 모은 기체의 부피를 측정한다.

 

5) 같은 질량의 Mg, Zn, Sc, Al에 대해 실험을 반복한다.

 

실험 3. 물의 전기분해

1) 전기분해장치를 조립한다. 전해질로는 0.1M 황산을 사용한다.

 

2) 양극과 음극에서 모인 기체의 부피를 측정하고, 관찰 사실과 각 전극에서의 전극반응을 적는다.

 

 

 

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