일반화학실험 | 이산화탄소의 분자량

 

 

TIP

 

 

1. 드라이 아이스를 이용하여 이산화탄소의 특성을 알아보는 실험이다. 여기에서는 드라이 아이스의 상태 변화 과정을 통해서 이산화탄소의 삼중점을 관찰해보고, 드라이 아이스의 승화를 이용하여 이산화탄소의 분자량을 측정하여 보기로 한다.
2. 모든 물질은 주어진 온도와 압력에 따라 그 물질의 상태가 변화한다. 온도가 높아질수록, 압력이 낮아질수록 물질을 이루는 입자들은 보다 활발하게 운동을 하게 되는데, 이를 거시적인 관점에서 ‘상태의 변화’라는 말로 설명이 가능하다. 본 실험에서는 드라이 아이스에 열을 가하여 상태가 변화하는 과정을 관찰함으로써 삼중점을 추정해 보았다.

 

 

 

본 실험은 분자론에 대해 다룬다. 호프만(Roald Hoffmann, 1981년 노벨 화학상)의 말대로 원자는 근사하고 근본적이기는 하지만 원자는 화학이 아니다. 화학은 원자들이 잠시 동안 일정한 규칙을 가지고 결합했다가 다시 갈라서는 분자에 관한 것이다. (Atoms are nice, atoms are fundamental, but they are not chemistry. Chemistry is about molecules, the fixed but transformable way in which atoms get together for a while.)

 

따라서 원자들이 모여 분자를 이루는 화학 결합의 원리와 그에 따라 생긴 분자의 성질을 이해하는 것은 화학의 핵심적인 내용이다. 다시 말해서 우리 주위의 세계는 엄밀히 이야기하면 원자의 세계라기보다는 분자의 세계이다. 원자들은 분자들을 구성하는 단위이기는 하지만 우리 주위에는 헬륨, 아르곤처럼 화학 결합을 이루지 않는 비활성기체나 금이나 황처럼 원소 상태로 존재하는 약간의 물질을 제외하고는 대부분의 물질은 원자들이 결합한 상태로 존재한다. 따라서 원자량 못지않게 분자량을 아는 일이 아주 중요해진다. 분자량을 알면 그 분자는 원자들이 몇 개정도 모인 어느 정도 큰 분자인지 알 수 있기 때문이다. 그리고 분자량은 분자 내에 어떤 원자들이 어떤 비율로 들어있는지를 조사하는 데에도 중요하다.

 

그렇다면 분자량은 어떻게 알 수 있을까? 이 실험에서는 기체 분자의 분자량만을 다룬다. 분자설이 등장하는데 중요한 역할을 한 아보가드로의 원리에 따르면 같은 온도에서 같은 부피의 기체에는 같은 개수의 분자가 들어 있다. 따라서 기체의 밀도를 측정하면 분자량을 측정할 수 있게 된다. 그런데 실험실에서 밀도로부터 분자량을 측정하기 위해서는 공기보다 밀도가 높은 순수한 기체가 유리하다. 다행히 드라이아이스를 사용하면 쉽게 1 기압 상태의 순수한 이산화탄소를 얻을 수 있다.

 

드라이아이스가 승화해서 얻어진 이산화탄소는 공기보다 무거워서 공기와 뒤섞이지 않고 용기를 채우기 때문이다. 부피를 아는 용기를 채운 실온, 1 기압 상태의 이산화탄소의 질량을 측정하면 공기의 밀도와 비교해서 분자량을 구할 수도 있고, 이상기체방정식을 사용해서 구할 수도 있다. 한편 드라이아이스를 사용하면 쉽게 액체 이산화탄소를 관찰할 수 있다.

 

이산화탄소는 그림과 같은 상평형을 나타낸다. 높은 압력을 견딜 수 있는 타이곤 튜브에 드라이아이스를 넣고 양쪽을 철 조임새로 조이면 드라이아이스가 승화하면서 이산화탄소의 압력이 올라가고 삼중점에 이르면 고체와 기체 사이의 평형에 액체의 평형이 이루어지면서 액체 이산화탄소가 관찰된다. 조임새를 풀면 압력이 떨어지면서 고체와 기체 사이의 평형만이 일어나서 액체는 사라지고 고체 드라이아이스가 드러난다.

 

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실험 방법

 

실험 A : 이산화탄소의 삼중점 관찰(액체 이산화탄소의 관찰)

1. 타이곤 튜브 양 끝에 철 조임새를 끼운 후 한쪽 끝은 니플을 꽂아 막는다.

 

2. 드라이 아이스를 대략 5㎝정도 채워지도록 깔대기를 이용하여 타이곤 튜브에 넣는다.

 

3. 튜브 한 쪽 끝도 마저 니플을 끼운 뒤 마찬가지로 철 조임새로 꽉 조인다.

 

4. 드라이 아이스가 액화될 때까지 기다린다. 손으로 문지르면 더욱 좋다.

 

5. 액화현상을 관찰하면 한쪽 조임새를 살짝 풀어준 후 액화된 이산화탄소가 어떻게 되는지 관찰한다.

 

실험 B : 이산화탄소의 분자량 측정

1. 삼각 플라스크에 유리판을 덮은 후 무게를 잰다.

 

2. 이 때 공기의 온도와 압력을 측정한다.

 

3. 삼각플라스크에 드라이 아이스 가루를 넣고 모두 승화되면 다시 유리판을 덮는다.

 

4. 이 때의 질량과 플라스크 내의 나중 온도를 다시 측정한다.

 

5. 플라스크를 다시 비운 후 물을 가득 채워 플라스크의 부피를 측정한다.

 

6. 플라스크 내부의 부피를 잰다.

 

7. 물이 가득 찬 플라스크의 무게를 잰다.

 

8. 일정부피에서의 무게를 구했으면 이것을 22.4L로 환산하여 분자량을 구한다.

 

9. 온도계로 실험당시의 온도를 측정하여 실험결과를 보정한다.

 

 

[일반화학실험]이산화탄소의 분자량 1부

 

 

[일반화학실험]이산화탄소의 분자량 레포트