일반화학실험 | 산소의 몰부피 :기체 상수 R의 결정

 

 

 

TIP

 

 

1. 기체 상수는 화학에서 중요한 기본 상수 중 하나이다. 본 실험에서는 반응에서 발생한 산소 기체와 소모된 시료의 양을 이용하여, 기체 상태를 기술하는데 필요한 기본 상수인 기체 상수(R) 값을 결정한다.
2. 산소와 이산화탄소를 발생시켜 일정한 기체 상수의 값을 결정한다.

 

 

 

기체의 성질

일반적으로 기체의 성질을 기술하는 몇 가지 중요한 법칙이 있다.

보일의 법칙 : PV= k₁ (k₁=상수, 일정한 온도 T, 일정한 물질의 양 n에서)

 

샤를의 법칙 : V=k₂T (k₂=상수, 일정한 온도 P, 일정한 물질의 양 n에서)

 

보일의 법칙 : V=k₃n (k₃=상수, 일정한 온도T, 일정한 압력 P에서)

 

일반적인 기체는 압력(P), 부피(V), 기체의 양(n)과 온도(T), 사이의 관계를 위의 세 가지 법칙을 결합하여 간단히 이상기체 방정식으로 표현할 수 있다. 대부분의 기체는 온도가 충분히 높고 압력이 충분히 낮은 상태이므로 이상기체(ideal gas) 상태방정식을 잘 만족한다(PV=nRT). 여기서 R은 기체 상수(Universal gas constant)라고 말하며, 기체의 상태를 기술하는데 필요한 기본 상수이다.

 

기체상수 : 이상기체 상태방정식은 압력을 P, 부피를 V, 절대온도를 T라 할 때 PV=nRT 로 표시된다. V는 아보가드로의 법칙에 의해 등온·등압 하에서 그 종류에 관 계없이 항상 일정한 값(0℃, 1atm에서는 22.4L)을 가지는데 이때 비례상수 R은 기체의 종류에 관계없는 상수로 이것이 기체상수이다. 이상기체 1㏖을 취하면 R의 값은 R=PV/nT에 의해 R = (22.414 L)(1atm)/(1㏖)(273K) = 약 0.082L·atm/㏖·K 이다.

 

게이루삭의 법칙(Gay-Lussac's Law) : 일정한 온도와 일정한 압력에서 일어나는 어느 두 기체의 부피 비는 몰의 비와 같다.

 

돌턴의 부분압력법칙(Dalton's law of Partial Pressure) : 용기 속의 기체 혼합물이 가하는 전체 압력은 각각의 기체가 홀로 있을 때 가하는 압력 들의 합과 같다.

 

본 실험에서는 1몰의 산소가 표준조건(0℃, 1기압)에서 차지하는 부피를 측정하려고 한다. 이산화망간을 촉매(catalyst)로 쓰고 염소산칼륨을 분해하여 산소를 만들 수 있다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 기체발생 장치를 만든다(시험관 연결 제외). 마개와 고무관의 연결부분으로 기체가 새어 나가 지 않도록 파라 필름으로 꼼꼼히 틈을 막는다. 비커에 연결된 고무관은 삼각플라스크의 바닥에 닿을 정도로 충분히 길어야 한다.

 

 

2) 약 2g의 KClO₃와 0.5g의 MnO2를 시험관에 넣고 전체무게를 정확히 측정한다.

 

3) 비커에는 약간의 물을 넣고 시약병에는 물을 거의 가득 채운다. 클램프를 연 상태에서 시험관이 연결된 고무관에 입김을 부드럽게 불어넣어, 비커 쪽으로 연결된 고무관에 물이 채워지게 한 후, 물이 역류하지 않도록 클램프로 고무관을 막는다.

 

4) 과정 2에서 준비한 시험관을 그림과 같이 고무관에 연결한 후 파라필름으로 틈새를 막 는다. 시험관을 가급적 수평이 되도록 기울여(약 30°정도) 고정시키는데, 이때 시료가 시험관의 벽을 따라 넓게 퍼지게 하고 고무마개에 닿지 않게 한다.

 

5) 현재 상태에서는 시약병의 압력과 대기압이 다르므로, 두 기압 사이의 평형을 이루도록 조절하기 위해서 조임 클램프를 열고 비커의 수면이 시약병의 수면과 일치하도록 비커를 올려준다. 이때, 기체가 시약병으로 들어가지 않도록 비커에 담겨있던 고무관이 물 밖으로 나오지 않도록 주의한다.

 

6) 클램프를 잠그고 비커에 있는 물을 버린다.

 

7) 클램프를 다시 연다. 이때 물이 다시 비커로 들어가더라도 그대로 방치한다.

 

8) 작은 불꽃으로 시험관 전체를 서서히 가열해준다. 산소기체가 발생하면 물이 밀려나오 게 된다. (불꽃의 가장 윗부분과 시험관과의 간격을 약 3cm로 유지한다. 불꽃과 시험관이 너무 가까우면 반응이 격렬히 일어나고 다량의 기체가 한 번에 발생하여 위험하다. 또한 거리가 멀면 반응이 너무 느려진다.)

 

9) 비커로 밀려나오는 물의 양이 점점 줄어들다가 물이 역류하기 시작하면, 가열하는 것을 멈추고 시험관이 식을 때까지 기다린다.

 

10) 비커의 높이를 조절하여 비커와 시약병의 수면의 높이를 갖게 한 후 핀치 클램프를 잠근다.

 

11) 비커에 모아진 물을 메스실린더를 이용하여 부피를 측정하고, 시험관의 무게를 다시 측정한다.

 

12) 대기압을 기록하고 시약병의 물의 온도를 측정한다. 이 온도에서의 물의 증기압을 확인한다.

 

 

 

 

[일반화학실험]산소의 몰부피 :기체 상수 R의 결정 레포트