일반화학실험 | 용해열과 과냉각 상태

 

 

 

TIP

 

 

1. 과냉각 상태와 과냉각 상태 전후의 온도 변화를 알아보고, 손난로의 원리르 이해한다.
2. 고체물질이 녹을 때 나타나는 용해열을 측정하는 원리를 이해하고 과포화 용액에 기계적인 충격을 가했을 때 나타나는 현상을 관찰한다.

 

 

 

과포화용액

일정한 온도에서 용해도 이상으로 녹아있는 상태의 액체를 과포화 용액(supersaturated solution) 또는 과냉각 용액(supercooled solution)이라고 한다. 이 상태는 매우 불안정하기 때문에 용질이 결정 또는 결정이 핵으로 될 수 있는 이 물질을 용액에 넣거나, 가볍게 저어주거나, 온도를 높이면 녹아 있던 물질이 고체 상태로 석출되고 포화용액이 된다.

 

과포화상태는 포화상태인 때와 달리 평형상태가 아니다. 과포화 상태를 만드는 방법으로는 온도에 따른 용해도의 변화를 이용하거나, 용매의 증발 농축을 이용하거나, 다른 물질을 넣어 용해도를 낮추거나 화학평형이나 화학 반응을 d이용하는 방법이 있다.

 

 

과냉각 용액

과냉각은 용융체 또는 고체가 평형상태에서의 상변화 온도 이하까지 냉각되어도 변화를 일으키지 않는 현상을 말한다. 온도가 갑자기 변하면 구성 원자가 각 온도에 따른 안정 상태로 변화할 만한 여유가 없기 때문에, 출발점 온도에서의 안정 상태를 그대로 지니거나, 일정 부분이 중점 온도에서의 상태로 변하다가 마는 현상이 일어난다.

 

즉 어떤 온도 T를 경계로 하여 그 이상에서는 다른 결정형의 고체가 되거나 또는 녹아서 액체가 되는 변화가 있는 경우, 그 물질을 T 이상의 온도에서 어느 정도 이하로 급냉 시키면 그 변화가 일어나지 못하고, 응고점 이하인데도 여전히 액체이거나, T이하인데도 그 이상의 온도에서 가지 안정한 결정형인 채로 있는 현상이 일어난다. 이것을 지나치게 빨리 냉각했다는 뜻에서 과냉각이라 한다. 정리하여 보면, 액체상태의 물질을 급속히 냉각시켜, 녹는점 이하의 온도에서도 액체 상태로 존재하는 상태이다. 이러한 과냉각 상태의 물질에서 약간의 충격을 가하면 액체상태의 물질이 고체 상태로 급속히 상태 변화하여 많은 열을 방출하게 된다.

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실험 방법

실험 A. 염화칼슘의 용해열

1. 두 개의 스티로폼 컵을 걸쳐 놓고, 스티로폼 판으로 뚜껑을 덮은 열량계를 만든다. 뚜껑의 가운데에는 온도계와 철사로 만든 젓게를 넣을 수 있는 구멍을 만들고, 온도계가 컵의 바닥에서 1cm 정도 떨어진 곳에 위치하도록 고무줄로 고정한다.

 

2. 열량계에 100㎖ 정도의 물을 넣어서 무게와 온도를 정확하게 측정한다.

 

3. 열량계를 물이 담긴 400㎖ 비커에 넣고, 염화 칼슘 50g의 무게를 정확하게 측정해서 열량계 속에 넣은 후 뚜껑을 덮고, 철사 젓게로 느리게 저으면서 온도가 최고로 올라갈 때까지 시간에 따른 온도의 변화를 기록한다.

 

실험 B. 질산 암모늄의 용해열

1. 염화 칼슘 대신 질산 암모늄을 이용해서 실험A와 같은 실험을 반복한다.

 

2. 온도가 최저로 내려갈 때까지 시간에 따른 온도의 변화를 기록한다.

 

 

실험 C. 과냉각 상태(주머니 손난로 원리)

1. 비커에 티오황산나트륨 100g을 넣고 중탕 용기에 끓인 뜨거운 물 속에 넣어서 녹인다.

 

2. 구리판을 금속 절단용 가위로 둥글게 오려서 가운데를 접어 모나지 않은 금속판을 만든다.

 

3. 녹인 티오황산나트륨을 1/2～2/3 정도 한약용 비닐봉투에 담고 금속판을(또는 쇠구슬) 넣은 후 식혀준다.

 

4. 1L 비커에 얼음물을 준비하여 과정 3)에서 남은 용액이 든 비커를 담가서 온도계를 꽂은 상태로 식히며 온도변화를 기록한다. (주변에서 충격이나 진동을 주지 않도록 주의한다.)

 

5. 비커의 용액 온도가 상온 근처에 도달하게 되면 유리막대를 살짝 용액 속에 담가 티오황산나트륨의 상태와 온도 변화를 관찰한다.

 

6. 과정 5에서 얻은 결정을 페트리 접시 위에 쏟아서 결정의 모양을 관찰한다.

 

7. 과정 3에서 한약용 비닐 봉투 속의 용액이 어느 정도 식으면 윗부분 을 봉해준다.

 

8. 만들어진 손난로에서 봉투 속의 금속판을 양손으로 똑딱거려 본다.

 

9. 굳어진 손난로를 다시 끓는 물에 넣어서 녹인 다음에 실험을 반복해 본다.

 

 

 

[일반화학실험]용해열과 과냉각 상태 레포트