어는점 내림법에 의한 분자량 측정

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어는점 내림법에 의한 분자량 측정에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

벤젠은 5.5℃에서 결정을 만들고 2분 이상 이 온도를 유지하였다. 두 번째 실험과 세 번째 실험은 은 벤젠 용매에 0.35g의 나프탈렌, 0.7g의 나프탈렌을 넣어 이 용액의 어는점을 측정하는 실험이었다. 용매에 용질을 넣을 시 용매의 어는점의 온도는 더 낮아지게 된다. 냉각 곡선에서, 처음으로 결정이 생긴 뒤 온도가 상승하고 이때의 제일 높은 온도가 어는점이다. 즉, 과냉각 현상이 나타나는데 과냉각이 일어나는 이유는 용액이 녹는점에서 고체가 될 정도로 질서 있는 배열을 하지 못하고 액체 상태로 남아있기 때문이다. 그러다가 어느 순간 결정화가 되어 냉각이 되고 그 과정에서 에너지가 방출되기 때문에 온도가 다시 녹는점으로 올라가게 된다. 용액이 모두 고체가 될 때까지 어는점이 계속 낮아지는 이유는 결정이 생길수록 남은 용액의 농도가 더 진해지기 때문이다. 우리 실험에서는 일정한 온도를 유지하는 것은 알 수 있었지만 용액의 어는점 이하로 온도가 떨어졌다가 어는점을 유지하는 현상은 보지 못했다. 실험 시간이 부족하여 충분한 시간을 기울여 기다리지 못한 것이 가장 큰 이유라고 생각한다. 두 번째 실험에서 나프탈렌 0.35g이 들어간 벤젠 용액의 녹는점은 5.5℃에서 5.3℃로 떨어졌으며 이 값들을 이용해 구한 어는점 내림 상수는 1.95이다. 세 번째 실험에서 나프탈렌 0.7g이 들어간 벤젠 용액의 녹는점은 5.5℃에서 5.2℃로 떨어졌으며 이 값들을 이용해 구한 어는점 내림 상수는 1.46이다. 용질이 더 많이 들어간 세 번째 실험에서 과냉각 현상을 더 볼 수 있었다. 이것은 용액의 총괄성이 용질 입자 수 때문에 나타나는 현상이기 때문이다.
식을 이용하면 이론적으로 일정량의 나프탈렌을 넣어주었을 때 얼마만큼의 어는점 내림 변화가 일어나야 하는가를 알 수 있다. 1차 투입, 0.35g의 나프탈렌을 넣어주었을 때 용액의 어는점 내림 상수의 이론값이 4.9이고, 우리가 사용한 용액과 용질의 데이터를 넣어 를 구하면 0.5℃이다. 우리 실험에서 구한 1차 투입 시 어는점 내림 변화는 0.2℃로 60%의 오차가 발생했다. 2차 투입, 0.7g의 나프탈렌을 넣어주었을 때 용액의 어는점 내림 상수의 이론값이 5.12이고, 우리가 사용한 용액과 용질의 데이터를 넣어 를 구하면 1.05℃이다. 우리 실험에서는 2차 투입 시 어는 점 내림 변화가 0.3℃로 약 71.43%의 오차가 발생했다. 이 계산을 통해서도 더 많은 양의 용질이 들어갔을 때 어는점 내림이 더 많이 발생한다는 것을 알 수 있다.
2) 오차의 원인
① 정확하지 않은 용매와 용질의 질량 : 실험값을 구하기 위해 용매와 용질의 정확한 질량을 사용한다. 벤젠은 방향족에 속하는 무색의 휘발성 액체이며 특유한 향긋한 냄새가 난다. 벤젠을 옮기는 과정에서, 혹은 벤젠을 옮기고 나서 시험관을 장치할 때 벤젠이 휘발했을 수 있다. 나프탈렌을 Pellet Press를 이용해서 알갱이로 만들 때 0.35g을 온전히 알갱이로 만드는 데에 어려움이 있었다. 용매와 용질의 질량의 변화가 생겼으므로 이론값과 비교하여 오차가 발생했을 것이다.
② 실험을 하면서 시험관의 온도를 보기 위해, 혹은 시험관의 결정이 생겼는지 알기 위해 Air jacket에서 시험관을 꺼내 보는 경우가 있었다. 되도록 빨리 보고 다시 집어넣었지만 0~1℃로 진행하는 실험에서 용액이 들어있는 시험관이 상온에 노출될 경우 온도 변화가 크게 생길 것이고 이러한 이유가 결정 구조에 영향을 미칠 것이다. 시험관의 온도가 실제 온도보다 더 높게 측정되었을 수 있으므로 과냉각 현상으로 인한 어는점 온도 변화의 폭도 작아졌을 것이다.
③ 불균일한 온도 전달 : 효과적이고 정확한 실험을 위해 물과 얼음이 들어있는 큰 통을 0~1℃로 유지시켜주어야 했다. 이 큰 통은 실온에 직접적으로 노출이 되어있었기 때문에 얼음이 녹는 속도가 빨랐다. 즉 큰 통 안에 들어있는 물의 온도가 균일하지 않은 것이다. 그래서 젓개를 이용해 계속 섞어 주었는데 섞는 과정이 일정하지 않으면 시험관에 온도가 균일하게 전달되지 않을 것이고 오차를 발생시킨다.
3) 더 알고 싶은 점
① 과냉각 현상 그래프

과냉각 현상 : 용융점이하로 온도가 내려가도 상변화가 일어나지 않는 현상이다. 상전이를 일으키는 전이온도보다 낮은 온도에서도 전이가 일어나지 않고 본래의 모양을 유지하고 있는 상태를 과냉각이라 하는데, 이것은 과의 반대 현상이다. 응고점 이하 온도의 액체는 그 한 예이다. 이것은 액체를 천천히 냉각시킴으로써 실현된다. 과냉각은 과열의 경우와 마찬가지로 전이온도 이하에서도 고온상이 준안정 상태로 존재할 수 있기 때문에 일어나는 것으로서, 밖으로부터의 자극에 의하여 쉽사리 깨진다.
② 과냉각 현상의 예
- 구름이나 안개 같은 대기 중의 작은 물방울이 0℃ 이하에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 것은 위와 같은 현상 때문이다. 구름 알갱이는 -10℃~0℃에서는 주로 과냉각물방울로, -20℃~-10℃에서는 과냉각물방울과 빙정이 섞인 상태로, -20℃ 이하에서는 거의 빙정으로 있다. 때로는 심할 경우 -40℃의 낮은 온도에서도 과냉각물방울이 관측되기도 한다.
③ 어는점 내림 그래프


비휘발성인 용질이 녹아 있는 용액의 어는점은 순수한 용매보다 낮아진다. 이것은 용액의 증기압이 용매의 증기압보다 낮아지기 때문이다. 용액의 농도가 진해지면 용액의 삼중점은 내려가고 이것은 고체와 액체의 평형 온도를 낮추어 어는점도 낮아지게 된다.
6. Reference
① 옥스토비의 일반화학, 옥스토비, 화학교재연구회, 2014, p.495~496
② (어는점 내림)
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1275802&cid=40942&categoryId=32251
③ (과냉각 현상)
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1916518&cid=50314&categoryId=50314
④ (과냉각 현상 그래프) http://tip.daum.net/openknow/49044641

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