[일반화학실험 A+ 1등 자료] 실험 11. 화학반응과 에너지 실험 결과 보고서

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목차

실험 데이터 및 처리
실험 결과에 대한 고찰
다음의 질문에 답하시오.
참고문헌

본문내용

여 진행되는 반응이다. 열량계 내에 물의 온도가 상승하면 발열 반응이 진행된 것이며, 온도가 낮아지면 흡열 반응이 진행되었음을 알 수 있다.
실험에 주로 사용된 기구는 LAB PRO, 온도센서, 스티로폼 열량계, 비커, 눈금실린더, 온도계, 약수저가 있으며, 주로 사용된 시약은 베이킹소다, , , NaCl, 가 있다. 주요 실험 기구의 사용법과 사용 시 유의사항 그리고 용액의 물리/화학적 특성과 사용 시 주의해야하는 사항에 대해 사전에 조사하고 익혀두어야 한다.
본 실험자는 이번 실험을 통해 화학반응과 에너지 그리고 열용량에 대한 개념을 이해할 수 있었으며, 물질이 물에 용해 될 때 온도 변화를 측정해 본 후 이를 통해 그래프를 그리고 식을 세워 열량을 계산하는 과정을 통해 Qsol, Qcal 그리고 에 대한 심도 있는 학습과 탐구를 할 수 있었다. 또한, 의 발열 반응이 손난로와 같은 실생활에도 활용된다는 점을 알게 되었다.
그러나 본 실험에서 열량과 열용량을 계산하는 과정에서 반올림의 오차가 발생하였으며, 의 이 이론값보다 높게 측정되는 오류가 발생하였다. 단계적인 계산 과정을 줄이면 반올림의 오차를 줄일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 열량계 내에 열 손실이나 열 유입이 없도록 하고 간이 열량계보다 통 열량계 혹은 정밀 열량계를 활용하여 실험을 진행하면 의 실험값과 이론값의 오차를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. 이번 실험에서 관찰한 것처럼 어떤 고체 화합물은 물에 용해될 때 열을 발생하고, 또 어떤 화합물은 용해될 때 열을 흡수한다. 이러한 차이는 무엇 때문에 생기는가?
일반적으로 화학 결합이 끊어지는 경우에는 입자들 사이의 인력을 끊을 수 있는 만큼의 에너지가 필요하기 때문에 열을 흡수하고 화학 결합이 형성될 때에는 에너지를 방출한다. 고체 화합물이 물에 용해될 때, 용질이 각 성분으로 분리되고 용매 분자 사이의 인력을 극복하여 용질이 들어갈 수 있는 공간을 만든다. 그런 다음 용질과 용매 사이에 상호작용이 발생하여 용액이 형성되는 과정이 진행된다.
어떤 고체 화합물이 물에 용해 될 때 열이 발생하는 현상은 새로운 화학 결합을 형성할 때 방출하는 에너지의 양이 화학 결합이 끊어질 때 흡수되는 에너지의 양보다 더 크기 때문에 최종적으로 에너지를 방출하는 것이며, 이때 에너지가 열의 형태로 전환되어 방출되는 것이다. 즉, 용해 시 용질이 각 성분으로 분리될 때 흡수되는 에너지의 양보다 용질과 용매 사이에 상호 작용이 발생할 때 방출되는 에너지의 양이 크기 때문에 발생하는 현상이다.
어떤 고체 화합물이 물에 용해될 때 열을 흡수하는 현상은 화학 결합이 끊어질 때 흡수되는 에너지의 양이 새로운 화학 결합을 형성할 때 방출하는 에너지의 양보다 크기 때문에 최종적으로 에너지를 흡수하는 것이며, 이 에너지가 열의 형태로 흡수되는 것이다.
즉, 용해 시 용질이 각 성분으로 분리될 때 흡수되는 에너지의 양이 용질과 용매 사이에 상호작용이 발생할 때 방출되는 에너지의 양보다 크기 때문에 발생하는 현상이다.
2. 일정 부피(예를 들어, 100 mL)의 물에 CaCl2를 용해시켜 최대의 열량을 얻으려 한다면 얼마의 CaCl2를 용해시켜야 할 것인가?
화합물이 물에 용해될 때 흡수 또는 방출되는 열량은 다음 식을 통해 계산할 수 있다.
|Qreaction| = +
[이때, 이다.]
용액의 질량은 물의 양과 용해시키는 질량의 합을 의미한다.
이때 물의 양은 100mL(=100g, 물의 밀도는 1ml/g이기 때문이다.)으로 일정하므로 용해시키는 의 양이 증가할수록 열량도 높아질 것이다. 그러나 일정 양 이상의 은 100g의 물에 더 이상 용해되지 않는다. 특정 물질이 100g의 물에 최대로 용해 될 수 있는 양을 물질의 용해도라고 한다. 을 100g의 물에 최대로 용해 될 수 있는 양만큼 용해시킬 때, 최대의 열량을 얻을 수 있을 것이다. 의 용해도는 74.5 g/100㎖ (20℃)이므로 최대의 열량을 얻기 위해서 74.5g을 용해시켜야 한다.
3. 겨울철 많이 사용하는 손난로는 화학반응 동안 방출되는 열을 이용한 것이다. 손난로에 이용되는 반응은 CaCl2의 용해 이외에 어떠한 발열반응들이 이용되고 있는지 알아보자.
일회용 손난로에는 철(Fe)의 산화를 통한 발열반응이 활용된다. 손난로의 주성분은 철가루, 소금, 활성탄, 수분 등으로 만들어진다. 손난로의 겉 포장지를 개봉한 다음에 흔들거나 주무르면 손난로 안에 있는 철가루가 산소와 만나서 산화 반응을 일으키고 약 30℃ ~ 60℃까지 온도가 상승한다. 반응식은 다음과 같다.
반응물인 철과 산소가 갖고 있는 에너지의 합이 생성물인 가 갖고 있는 에너지보다 크기 때문에 그 차이만큼의 에너지가 방출되는 것이다. 이때 방출되는 에너지는 대부분 열에너지 형태이기 때문에 주변의 온도가 상승하는 발열반응이 되는 것이다.
똑딱이 손난로는 아세트산나트륨의 융해열의 특징을 통한 발열반응이 활용되었다. 아세트산나트륨은 물질이 일정한 양 이상으로 액체에 녹아있는 상태인 \'과포화\' 상태로 손난로 속에 들어 있다. 과포화 상태의 아세트산나트륨은 불안정한 상태로 약간의 충격에 의해서도 쉽게 굳는다. 손난로 안에 든 똑딱이를 구부렸다 펴면 내부에 충격이 가해지며, 이에 따라 아세트산나트륨이 고체가 되면서 액체 상태일 때 갖고 있던 열을 방출하는 것이다. 이러한 아세트산나트륨은 융해열이 크다는 특징을 갖고 있기 때문에 손난로에 활용되기에 적합하다.
또한, 이는 가열 시 녹아서 액체가 되며, 식히면 고체로 변하지 않고 액체 상태로 형태를 유지한다는 특징이 있다.
4. 22.5 g의 금속 조각을 100.0 ℃로 가열한 후 20.0 ℃의 물 100.0 mL에 넣었다. 열평형에 도달한 후 온도를 재어보니 26.9 ℃이었다. 이 금속의 열용량은 얼마인가?
[이때 /
] 이므로
이며
이므로
이다.
참고문헌
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일반화학, Steven S. Zumdahl, Cengage, 2018, 541쪽

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