1. 화학열역학의 발전에서 중요한 헤스의 법칙을 실험적으로 확인하고 반응열과 엔탈피의 개념을 체험적으로 학습한다.
2. 엔탈피 변화를 직접 조사할 수 없는 경우가 많지만 헤스의 법칙에 의해 간접적으로 측정할 수는 있다. 즉, 엔탈피가 상태함수이기 때문에 출발 물질과 최종 물질이 같은 경우에는 어떤 경로를 통해서 만들더라도 그 경로에 관여된 엔탈피 변화의 합은 같다. 이 실험에서는 NaOH와 HCl의 반응을 단계적으로 진행시켜 각 단계의 엔탈피를 측정하고 엔탈피가 상태 함수임을 확인한다.
자연의 법칙 중에서 열역학의 법칙은 한 점의 오차나 예외를 허용하지 않는 엄격한 법칙이다. 따라서 모든 화학 반응은 열역학 법칙에 따라서 예측 가능한 방향으로 진행하고 예측 가능한 결과를 만들어낸다. 신나(thinner)에 불을 그어대면서 이번에는 화재가 나지 않을 수도 있겠지 생각한다면 그처럼 어리석은 일이 없다.
화학에서 열은 아주 기본적이다. 화학의 궁극적인 관심은 원자의 재배열을 통한 물질의 변화에 있고, 물질의 변화에는 열의 출입이 수반되기 마련이다. 왜냐하면 화학 변화의 전후 상태에는 에너지의 차이가 있고 대부분의 경우에 그 에너지 차이가 열의 형태로 나타나기 때문이다.
화학 반응은 대부분의 경우에 일정한 압력 하에서 일어난다. 따라서 일정한 압력 하에서의 열 출입을 결정하는 엔탈피(enthalpy)가 중요한 양이다. 엔탈피는 현실적으로도 아주 중요하다. 밤새 호흡이 중단되어 열의 발생이 몇 시간 멈춘다면 아침에 우리는 싸늘한 시체가 되어있을 것이다. 차에 휘발유를 넣고 달리는 경우를 생각해보자. 탄화수소가 연소해서 발생하는 이산화탄소는 다행히 상온에서 기체이다. 그러나 다른 하나의 생성물인 물은 상온에서 액체이다.
따라서 탄화수소의 연소가 발열반응이 아니라면 물이 수증기로 바뀌는 대신 액체 상태로 남아있을 것이고, 엔진은 냉각수는 필요 없을 지 몰라도 차는 추진력을 얻기 힘들 것이다. 우주선 추진 로케트의 경우도 마찬가지이다. 발생하는 열은 물을 기화시키고 이 수증기와 이산화탄소의 팽창은 추진력을 제공한다. 따라서 어떤 물질이 연소할 때 얼마만한 열을 낼지는 실제적으로 중요한 문제가 된다. 어떤 로케트 연료를 얼마만큼 사용해야 지구의 중력을 벗어나는데 필요한 추진력을 얻을 수 있는지 따져보지 않고 로케트를 발사할 수는 없는 노릇이다.
이와 같이 어떤 화학 반응에서 얼마만한 열이 날지를 예측하기 위해서는 각 물질의 엔탈피를 알고 있어야 한다. (엔탈피는 열에 관한 어떤 물질의 은행 잔고와도 같다) 그리고 엔탈피는 상태함수이기 때문에 반응물과 생성물의 엔탈피를 알면 어느 화학 변화에 대한 엔탈피 변화를 계산할 수 있게 된다. 그런데 엔탈피 변화를 직접 조사할 수 없는 경우가 많이 있다. 탄소가 수소와 결합해서 탄화수소가 되는 경우의 엔탈피 변화는 얼마나 될까? 이런 반응은 쉽게 일어나지 않기 때문에 직접 측정하는 것은 불가능하고 대신 간접적인 방법을 쓰게 된다.
히말라야에 8천 미터 급의 새로운 봉우리가 발견되었다고 하자. 베이스캠프 위쪽은 항상 구름에 덮여있어서 베이스캠프에서 정상까지의 높이를 직접 재기 어렵다고 하자. 이 때 해면을 기준으로 베이스캠프의 고도를 재고, 구름에 덮여있지 않은 반대쪽으로부터 해면에서 정상까지의 높이를 재면 그 차이로부터 베이스캠프에서 정상까지의 높이를 계산할 수 있게 된다.
참고로 일반화학 교과서 부록에 나와있는 여러 가지 화합물의 standard enthalpy of formation(△)에 관한 표를 찾아보자. 그 중 많은 화합물은 직접 표준생성엔탈피를 재기 어렵다. 화석 연료 중에서 휘발유의 주성분인 옥탄(octane, )을 생각해 보자. 탄소와 수소로부터 옥탄을 만드는 반응은 실험실에서 쉽사리 일어나지 않는다. 따라서 옥탄의 표준생성엔탈피를 직접 질 수는 없다. 그러나 아래와 같이 탄소와 수소의 연소, 그리고 옥탄의 연소에 관한 엔탈피 변화를 측정하면 옥탄의 표준생성엔탈피를 알 수 있게 된다.
이와 같이 엔탈피가 상태함수이기 때문에 출발 물질과 최종 물질이 같은 경우에는 어떤 경로를 통해서 만들더라도 그 경로에 관여된 엔탈피 변화의 합은 같다는 것을 헤스의 법칙(Hess's law)이라고 한다. 베르셀리우스에게서 화학을 공부한 러시아의 화학자 헤스는 많은 반응의 반응열을 측정하여 에너지 보존법칙이 확립되기 전에 경험적으로 헤스의 법칙을 이끌어냈다. 실제로 표에 나오는 많은 화합물의 표준상태 엔탈피는 헤스의 법칙을 통해서 얻어진다.
실제로 많은 화합물의 엔탈피는 헤스의 법칙을 통해서 얻어진다. 화합물의 예금잔고에 해당하는 엔탈피를 조사하는 일은 대단히 중요하고, 따라서 헤스의 법칙도 화학에서 중요한 자리를 차지한다. (주: 일단 일반화학 교과서에 소개되는 내용은 아주 중요하다고 보면 틀림없다. 예; 어는점 내림, 삼투압, 르샤틀리에의 원리, 깁스 자유에너지...) 그런데 위의 옥탄의 경우로는 헤스의 법칙을 확인할 수 없다. 따라서 △H1, △H2, △H3 모두가 측정 가능한 경우를 찾아야 한다. 고체 NaOH의 용해열과 중화열은 간단히 측정할 수 있으며 따라서 쉽게 헤스의 법칙을 확인할 수 있는 경우가 된다.
실험 방법
실험 1. 중화반응
(1) △H1의 측정
1) 깨끗한 250 ㎖ 비커를 준비하고 0.1 g 단위까지 무게를 측정한다.
2) 비커를 사이즈가 맞는 스티로폼 컵에 넣어 단열이 되게 한다.
3) 1 M HCl 용액 100 ㎖을 넣고 0.1℃까지 온도를 측정하고 갓 채취한 NaOH 4.00 g을 넣어 흔들어 준다. 이 때 미리 weighing paper의 무게를 재놓고 한꺼번에 넣는다.
4) 가장 높이 상승했을 때의 온도를 기록하고 조금 기다린 후 비커의 무게를 측정한다.
(2) △H2의 측정
3)의 과정에서 1 M HCl 용액 대신 증류수 100 ㎖을 넣고 4)～6)의 과정을 반복한다.
(3) △H3의 측정
1) 깨끗한 250 ㎖ 비커를 준비하고 0.1 g 단위까지 무게를 측정한다.
2) 비커를 사이즈가 맞는 스티로폼 컵에 넣어 단열이 되게 한다.
3) 2 M HCl 용액 50 ㎖을 넣고 0.1 ℃까지 온도를 측정한다.
4) 메스실린더에 2 M NaOH 용액 50 ㎖을 넣고 HCl 용액의 온도와 같은지 확인한다.
5) NaOH 용액을 재빨리 HCl 용액에 넣고 가장 높이 상승했을 때의 온도를 기록한다.
6) 조금 기다린 후 비커의 무게를 측정한다.
실험 2. MgO의 표준생성엔탈피
(1) ΔH1의 측정
1) 깨끗한 250 ㎖ 비커를 준비하고 0.1 g단위까지 무게를 측정한다.
2) 비커를 스티로폼 컵에 넣어 단열이 되게 한다.
3) 1 M HCl 용액 100 ㎖을 넣고 0.1 ℃까지 온도를 측정한다.
4) Mg turning 0.60g을 측정하여 비커에 넣고 완전히 반응될 수 있도록 잘 흔들어 준다. 이때는 weighing paper는 넣지 말고, Mg turning만을 넣도록 한다.
5) 가장 높이 상승했을 때의 온도를 기록한다.
6) 조금 기다린 후 비커의 무게를 측정한다.
(2) ΔH2의 측정
1) 4)의 과정에서 Mg turning 0.60g 대신 MgO 1.00g를 비커에 넣고 1)~6)을 반복한다. 단, MgO을 넣을 때에는 weighing paper의 무게를 미리 재고, paper채로 한꺼번에 넣는다.
[일반화학실험]헤스의 법칙 레포트
- 총열량 불변의 법칙 - 1. 실험 목적 1.1. 화학열역학의 발전에서 중요한 헤스의 법칙을 실험적으로 확인하고 반응열과 엔탈피의 개념을 체험적으로 학습한다. 1.2. 엔탈피 변화를 직접 조사할 수
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