일반화학실험 | 유리기구의 불확실도 결정

 

 

 

TIP

 

 

1. 저울 사용법과 액체를 사용하는 기구(피펫, 뷰렛, 눈금 실린더 등)의 사용법을 익히고, 거기서 얻은 자료를 토대로 측정값의 불확실도 추정 방법을 알아본다.
2. 저울 사용법, 액체를 옮기는데 사용하는 기구의 사용법을 익히고, 실험 데이터의 처리 및 불확실도 추정 방법 등을 배운다.
3. 실험에서 사용하는 유리기구의 용도를 이해하고 주어진 실험 기구를 이용하여 질량 및 부피를 정확히 측정하도록 숙달한다. 또, 측정값을 유효숫자를 고려하여 처리하고 결과의 불확실도를 이해한다.

 

 

 

화학은 자연 현상에 대한 정확한 관찰과 측정을 체계적으로 정리하여 논리적인 해석을 추구함으로써 자연 법칙을 이해하려는 분야이다. 따라서 화학 실험에서의 관찰과 측정은 화학을 배우는 첫 단계라고 할 수 있으며 관찰과 측정의 결과는 정확하게 기록하고 이것을 근거로 실험의 내용을 체계적으로 분석할 수있어야한다.

 

화학 실험에서 관찰은 색깔의 변화 고체의 생성 기체의 발생 등과 같은 정성 적인 것도 있지만 화학 실험의 핵심은 역시 부피 질량 온도와 같은 물리량을 정확하게 측정하는 것이다 이러한 물리량을 측정하기 위해 눈금이 새겨진 유리 기구 저울 또는 온도계와 같은 기구를 사용하며 기구의 정밀도와 취급방법에 따라 측정 결과가 조금씩 달라진다.

 

따라서 실험에서 원하는 정밀도에 따라 적절한 기구를 선택해야 하고 그 기구의 정확한 사용법을 충분히 익혀서 재현성이 있는 측정값을 얻을 수 있도록 훈련해야 한다. 즉, 화학 실험에서 관찰은 색깔의 변화, 고체의 생성, 기체의 발생 등과 같은 정성 적인 것도 있지만, 화학 실험의 핵심은 역시 부피, 질량, 온도와 같은 물리량을 정확하게 측정하는 것이다.

 

이러한 물리량을 측정하기 위해 눈금이 새겨진 유리 기구, 저울 또는 온도계와 같은 기구를 사용하며, 기구의 정밀도와 취급방법에 따라 측정 결과가 조금씩 달라진다. 따라서 실험에서 원하는 정밀도에 따라 적절한 기구를 선택해야 하고, 그 기구의 정확한 사용법을 충분히 익혀서 재현성이 있는 측정값을 얻을 수 있도록 훈련해야 한다.

 

대부분의 경우에는 참값을 알 수 없기 때문에 측정의 정확도를 확실하게 나타낼 수 있는 방법은 없다. 그러나 측정의 정밀도는 같은 실험을 N번 반복해서 얻은 측정값으로부터 얻은 불확실도(표준편차)를 이용해서 나타낼 수 있다.

 

 

 

정밀도(precision)와 정확도(accuracy)

화학은 실험과학이므로 모든 정량적 측정은 어느 정도의 오차를 갖는다. 측정을 여러번 반복하거나 실험기구를 바꿈으로써 오차를 줄일 수는 있지만 완전히 오차를 제거할 수는 없다. 그러므로 실험 측정값의 타당성 한계를 설정하기 위해서는 실험 결과를 정량적으로 평가하는 것이 중요하다. 오차는 두 가지 형태로 나타나며 이들은 정밀도의 부족(우연오차, random error) 과 정확도의 부족 (계통오차 , systematic error)에 기인한다.

 

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실험 방법

실험 A. 무게 측정(화학저울 사용법)

1) 실험에 사용할 저울의 제조회사와 모델, 측정 용량(최대 측정 무게), 측정의 정밀도를 조사하여 결과를 노트에 적는다.

 

2) 저울을 평평한 곳에 놓고 조절나사를 통해 수포가 원 안에 들어오도록 평형을 맞춘다.

 

3) 저울의 전원을 켜고 저울이 안정화 될 때까지 기다린다. 즉, 저울이 안정화되면 화면에 보이는 숫자가 더 이상의 변화가 없다.)

 

4) 저울이 안정화되어 더 이상의 숫자가 변화가 없으면 rezero button(Tare)을 눌러 영점을 조절한다.

 

실험 B. 피펫을 이용한 액체의 부피 측정

1) 필러(filler)와 피펫의 사용법을 충분히 익힌다.

 

2) 필러를 사용해서 증류수를 피펫의 반 정도 채운 다음에 피펫을 옆으로 기울여서 돌려가면서 피펫의 안쪽 면을 헹구어준 후에 증류수를 버린다. 피펫의 안쪽에 증류수 방울이 남아있으면 피펫을 세제를 이용해서 깨끗하게 씻어내고 다시 증류수로 헹군다.

 

3) 저울 위에 빈 비커를 올려두고 무게를 측정한다.

 

4) 실험실의 온도와 증류수의 수온을 측정한다. (단, 이번 실험에서는 수온만 측정함)

 

5) 실험실의 온도와 증류수의 온도가 평행을 이룰 때까지 기다린다.

 

6) 준비된 비이커에 라벨 을 붙이고 각 비이커의 질량을 측정한다.

 

7) 필러를 사용해서 피펫의 가장 위쪽 눈금 위까지 증류수를 채운다. (피펫을 채울 때는 공기가 빨려 들어가지 않도록 피펫의 끝이 항상 용액 속에 잠겨 있도록 해야 하고, 필러 속으로 용액이 빨려 들어가지 않도록 주의 한다.)

 

8) 필러를 이용하여 피펫에 증류수를 채우고 각 비이커에 지정된 부피의 증류수를 넣고 증류수의 부피는 유효숫자를 고려하여 최소 눈금 단위의 1/10 까지 읽는다.

 

9) 비커에 2, 5, 10㎖의 증류수를 넣고 각 비이커의 질량을 측정하여 순수한 증류수의 질량을 계산한다.

 

10) 측정된 물의 질량과 실험실 온도에서의 물의 밀도를 이용하여 증류수의 부피를 계산한다.

 

11) 3회 반복하여 평균과 표준편차를 계산한다.

 

12) 계산된 표준편차를 이용하여 측정치의 기대값을 계산한다.

 

13) 측정치의 기대값과 피펫의 불확실도를 비교하여 우발오차와 계통오차를 확인한다.

 

실험 C. 눈금실린더를 이용한 액체의 부피 측정

1) 눈금실린더를 깨끗하게 씻고 내부를 완전히 말린다.

 

2) 각 눈금실린더에 라벨을 붙이고 질량을 측정한다 (2, 5, 10 ㎖) .

 

3) 씻기병과 스포이드를 이용하여 눈금실린더에 지정된 부피의 증류수를 넣고 증류수의 부피는 유효숫자를 고려하여 최소 눈금 단위의 1/10 까지 읽는다.

 

4) 증류수가 채워진 각 눈금실린더의 질량을 측정하여 순수한 증류수의 질량을 계산한다.

 

5) 측정된 물의 질량과 실험실 온도에서의 물의 밀도를 이용하여 증류수의 부피를 계산한다.

 

6) 3회 반복하여 평균과 표준편차를 계산한다.

 

7) 계산된 표준편차를 이용하여 측정치의 기대값을 계산한다.

 

8) 측정치의 기대값과 눈금실린더의 불확실도를 비교하여 우발오차와 계통오차를 확인한다.

 

실험 D. 뷰렛을 이용한 액체의 부피 측정

1) 뷰렛의 안쪽에 증류수 방울이 남아있으면 뷰렛을 세제를 이용해서 깨끗하게 씻어내고 다시 증류수로 헹군다.

 

2) 뷰렛에 증류수를 가득 채운 후 콕의 아래의 배출구에 공기방울이 없도록 증류수를 흘려주고 메니스커스를 0㎖에 맞춘다.

 

3) 빈 비이커의 질량을 측정한다.

 

4) 비이커에 10㎖ 의 증류수를 넣고 뷰렛의 눈금은 유효숫자를 고려하여 최소 눈금 단위의 1/10 까지 읽고.

 

5) 비이커의 질량을 측정한다.

 

6) 4)번 과정을 5회 실시하여 비이커에 담긴 증류수의 질량을 계산한다.

 

7) 물의 밀도와 각 단계의 증류수의 질량으로 부피를 계산한다.

 

8) 3회 반복하여 평균과 표준편차를 계산한다.

 

9) 계산된 표준편차를 이용하여 측정치의 기대값을 계산한다.

 

10) 측정치의 기대값과 뷰렛의 불확실도를 비교하여 우발오차와 계통오차를 확인한다.

 

 

 

[일반화학실험]유리기구의 불확실도 결정 레포트