일반화학실험 | 일정 성분비의 법칙

 

 

 

 

TIP

 

 

원자설들을 알아보고, 일정 성분비의 법칙과 이상기체 방정식과 관련된 실험을 한다.
실험 A : 탄산염이 염산과 반응하여 줄어든 무게로부터 일정성분비의 법칙을 확인한다. 즉. 남은 시료의 무게와 처음 시료의 무게의 비를 조사하고 반응식과 관계를 유추해 본다. 본 실험에서는 미지의 시료 A, B 의 질량 변화를 측정해서 일정성분비의 법칙을 확인하고 탄산나트륨과 탄산수소나트륨으로 구분한다.
실험 B : 탄산염이 염산과 반응하여 발생하는 이산화탄소의 양을 측정하는 실험을 통해 이상기체 방정식과 증기압 등의 개념을 익힌다.

 

 

 

우리 주위의 세계는 물질(物質, matter)의 세계이다. 식욕을 돋구는 한 조각의 피자나 장미꽃잎에 맺힌 빗방울, 또 장미꽃 냄새를 나타내는 향기 화합물 등 우리에게 필요하거나 우리가 좋아하는 것들은 대부분 물질이다. 물론 사랑이나 우정같이 5감으로 체험할 수 없는 추상적인 것들도 있다.

 

그러나 거시적으로는 별이나 은하수(銀河水, Milky Way)에서 전체 우주(宇宙, cosmos)에 이르기까지, 그리고 미시적으로는 원자(原子, atom)와 원자를 구성하는 양성자(陽性子, proton), 중성자(中性子, neutron), 전자(電子, electron), 또 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크(quark)에 이르기까지 자연(自然, nature)은 물질의 세계임에 틀림이 없다. 그리고 무엇보다도 우리 자신이 물질적인 존재이다. 따라서 물질 세계를 이해하는 일은 곧 우리 자신을 이해하고 우리의 삶을 살찌우는 길이 된다. 심지어는 인간의 정신 세계도 물질 세계와 불가분의 관계에 놓여 있다.

 

그런 의미에서 원자들로 이루어진 인간이 원자의 존재와 원자의 생성 과정을 알아냈다는 것은 대단한 성취라고 아니할 수 없다. 원자의 존재에 관한 이해는 그리스의 데모크리투스(Democritus)에서 시작되어 2천 년이나 걸린 장대한 여정 끝에 라부아지에(Lavoisier; 질량보존의 법칙, law of conservation of mass), 프루스트(Proust; 일정성분비의 법칙, law of constant composition), 돌턴(Dalton; 원자설, atomic theory; 배수비례의 법칙, law of multiple proportions)등의 업적을 통하여 이루어진 일이다.

 

그러기에 천재 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman; 1965년 노벨 물리학상)은 이 세상의 모든 지식이 사라진다 해도 물질 세계는 원자로 이루어졌다는 사실만 후대에게 전해 줄 수 있다면 다시 문명을 일으키는데 2천 년의 세월을 절약할 수 있으리라는 요지의 말을 남겼다. 본 실험에서는 원자론의 확립에 핵심적인 역할을 한 일정성분비의 법칙을 직접 확인해 보기로 한다. 이 법칙을 통해서 우리는 원자 세계에서 질량과 수의 중요성을 깨달을 수 있다. 만일 물질 세계가 원자의 세계가 아니라면 관찰 사실이 설명될 수 있을까 하는 각도에서 실험 결과를 검토해 보자.

 

 

실험 방법

실험 A : 탄산염의 분석(무게 변화)

1) 미지 시료 A와 미지 시료 B를 각각 0.2g씩 2쌍을 준비한다.

 

2) 잘 마른 weighing boat를 전자저울에 올려놓고, 5㎖의 6N 염산을 가한 후, tare를 눌러 0.000이 되도록 맞춘다.

 

3) 0.001g까지 정확히 측정한 미지 시료 A를 weighing boat에 가한 후, 처음 20초 동안은 매 5초마다, 이후 무게 변화가 없을 때까지 10초마다 눈금을 읽어 값을 기록한다.(처음의 30초 동안은 가능한 한 데이터를 많이 수집한다.)

 

4) 마찬가지로 미지 시료 B를 가한 후, 10초 간격으로 무게 변화가 없을 때까지, 무게를 측정한다.

 

5) 미지 시료 A와 B를 위와 같은 방법으로 반복 측정한다. 단 시간에 따른 무게 변화는 관찰하지 않아도 좋다.

 

6) 그래프 용지 등을 이용해서, (남은 시료의무게/처음 시료의 무게) vs. 시간(s)에 대한 그래프를 그린다.

 

7) 미지 시료 A와 B의 무게 변화로부터 각각이 어떤 화합물인지 알아낸다.

 

실험 B : 탄산염의 분석 (이산화탄소의 부피)

1) 분별깔때기에 CO₂로 포화된 물을 넣는다. 이때 연결호스에 있는 기포를 제거해주어야 한다.

 

2) 기체 부피 측정 장치의 삼각 플라스크에 6M HCl 20㎖를 넣고, 마개를 닫아 본다. 이때, 눈금을 읽는다.(시작점)

 

3) 다시 마개를 열고 미리 측정한 0.1g 정도(정확한 무게 필요함 : weighing paper에 적당히 싸서 통째로 집어넣기) Na₂CO₃를 넣고 재빨리 마개를 닫아서 뷰렛에 발생되는 기체를 모은 다음, 그 부피를 읽는다. 이 때 분별깔때기의 수면은 뷰렛의 수면과 같도록 조절한다. 뷰렛과 분별깔때기의 수면이 일치하게 되는 점이 종말점이 된다. (종말점이 아닌 곳에서는 뷰렛과 분별깔때기의 수면이 일치하지 않는다.)

 

4) 위의 과정을 2회 더 반복한다.

 

5) 미지 시료를 NaHCO₃로 바꾸어 3, 4번의 과정을 반복한다.

 

6) 발생된 이산화탄소 부피로부터 이산화탄소의 몰수를 계산한다.

 

7) 계산된 이산화탄소의 몰수로부터 시료의 줄어든 양을 계산한다.

 

8) 미지 시료 C, D를 가지고 부피를 측정한 후 어떤 화합물인지 알아낸다.(이상 기체 방정식(PV=nRT)을 이용)

 

 

 

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