삼각도를 이용한 상평형도 실험_결과레포트 [A+]

소개글

삼각도를 이용한 상평형도 실험_결과레포트 [A+]에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Abstract
2. Experiment
3. Result & Discussion
4. Conclusion
5. Reference

본문내용

다. 적정 용액에서의 질량 조성 값들은 매우 미세하게 변화하기 때문에 한 칸의 크기가 10%인 삼각도를 이용해 도시하였다. 혼합용액 속 아세톤과 증류수, 톨루엔 3가지 용액의 질량조성을 이용해 삼각도 상에 점을 찍는 방법을 다음 Fig 9에 자세히 나타내었다. Fig 9는 <아세톤 - 증류수 계> 실험에서 10%농도의 아세톤 용액으로 톨루엔을 적정한 결과인 Table 7의 결과값을 참고해 그린 것이다. 이와 같은 방법으로 <아세톤 - 증류수 계> 실험의 나머지 25%, 40%, 60% 농도의 용액들과 <아세톤 - 톨루엔 계> 실험에서의 4가지 농도의 용액들의 삼각도를 모두 그렸고, 이는 Fig 10에 <아세톤 - 증류수 계>는 오른쪽 노란색 동그라미 모양 점으로, <아세톤 - 톨루엔 계>는 왼쪽의 빨간색 네모 모양 점으로 각각 도시하였다. 또한 아세톤의 농도가 같을 때 2가지 실험의 점을 이어서 맺음선을 그렸다.
Fig 10의 완성된 상경계도의 윗부분인 흰색 부분은 3가지 성분의 혼합물이 모두 섞여 단일 상으로 존재하는 상태이기 때문에 자유도의 수는 이며, 이번 실험에서는 아세톤과 증류수, 톨루엔이 모두 섞여있는 상태이다. 또한 상경계도 아래쪽에 위치하는 투명하게 색이 칠해져 있는 부분은 3가지 성분의 혼합물이 두 개의 분리된 상으로 존재하고 있는 상태이기 때문에 자유도의 수는 이며, 이번 실험에서는 각 실험에서 증류수와 톨루엔이 잘 섞이지 않아 상이 2개로 나눠져 있는 상태이다.
Fig 9. 아세톤 - 증류수 용액 실험에서 아세톤의 농도 10%인 경우 삼각도 작성
Fig 10. 완성된 상 경계도
이렇게 이번 실험을 통해 완성한 Fig 10의 상경계도와, 보다 여러 번의 시행착오와 실험을 통해 보다 정확하게 완성한 다음 Fig 11를 비교해보자.
Fig 11. 보다 정확한 상경계도
Fig 11의 맺음선을 보면 톨루엔이 증류수보다 더 높게 위치해 있다는 것을 알수 있는데, 이는 톨루엔이 증류수보다 용해도가 더 높기 때문이다. 두 가지 용액의 용해도에 차이가 있는 이유는 밀도차 때문인데, Table 1에서의 각 용액의 밀도를 살펴보면 아세톤이 제일 작은 밀도를 가지고, 그 다음으로 톨루엔, 증류수 순으로 큰 밀도를 가지고 있다. 이 때문에 아세톤은 밀도차가 큰 증류수보다 밀도차가 비교적 작은 톨루엔을 더 잘 용해시키는 것이다. Fig 11과 Fig 10을 비교해보면 둘다 맺음선에서 톨루엔이 더 높은 위치에 있지만, Fig 11이 맺음선의 기울기가 더 크고 증류수와 비교한 톨루엔의 용해도가 더 크다는 것을 알 수 있다. 이렇게 보다 정확한 상경계도와 이번 실험의 상경계도에 차이가 생긴 오차의 원인을 분석해보자.
4. Conclusion
이번 삼각도를 이용한 상평형도 실험에서는 < Acetone-증류수 용액 > 실험과
< Acetone-Toluene 용액 > 실험 2가지를 진행하면서 각각에 톨루엔과 증류수를 적정해 백탁액이 생성되는 지점을 확인하고 측정하였다. 이렇게 측정한 적정량을 이용해 각 혼합용액 안의 각 3가지 용액들의 질량조성을 계산한 후 삼각도 상에 도시해 상경계도를 완성하였다. 실험의 결과 두 실험 모두에서 아세톤의 질량조성이 증가할수록 각 적정량 또한 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 혼합용액 속에서의 아세톤의 비율이 증가하게 되면 톨루엔과 증류수에 의해 상이 분리되는 시점이 점점 느려진다는 것을 보여준다.
실험을 통해 완성한 상경계도 (Fig 10)와 보다 많은 실험을 통해 얻어낸 더 정확한 상경계도(Fig 11)을 비교해 보았을 때, 앞서 분석한 것처럼 차이를 보였는데, 이러한 오차의 원인들을 생각해보면 다음과 같이 몇 가지가 존재한다.
우선, 백탁현상의 주관적인 판단이 정확한 적정량 판단에 오차를 유발했을 가능성이 높다. 백탁현상은 용액이 두가지 액상으로 분리되는 지점이며, 이를 육안으로 관찰해 그 때의 적정 부피를 기록하는 과정에서 어떤 용액은 매우 뿌옇고 어떤 용액은 뿌옇다가 다시 투명해지는 식으로 육안으로 백탁액의 정확한 지점을 판단하는 것이 매우 어려웠다. 따라서 백탁현상이 일어나는 적정점을 찾는 과정을 용액의 투명도를 판단할 수 있도록 흡광도를 측정하는 분광광도계를 사용하는 등의 방법으로 더 정확성을 높여야 할 것 같다.
또 다른 이유로는 적정 시 아주 작은 차이에도 백탁액 형성이 관찰될 수 있으므로 최대한 작은 단위의 부피를 측정하기 위해 마이크로 피펫을 이용해 0.01ml 씩 용액을 추출해 적정해주었는데, 이는 매우 작은 양이기 때문에 용액이 다 나오지 않고 피펫 팁의 끝에 남아 있거나 Conical tube의 벽면에 묻는 등 용액이 손실될 수 있고, 이러한 적은 양에도 반응할 수 있어 적정량을 정확하게 측정하는 것이 어려웠다.
또한 적정 전에 25항온조에 넣어 용액의 온도를 일정하게 유지한 후 실험을 진행했지만 Conical tube 속의 평형 온도는 일정하게 유지되지 않았을 가능성이 높아 오차의 원인이 되었을 수 있다. 정압, 정온 조건에서 이루어지며 액체가 용해되는 물질전달 현상의 변수를 일정하게 유지시켜 주어야 하는데, 온도가 변화하게 되면 실험의 정확성이 낮아질 수 있다.
보다 정확한 상경계도를 그리기 위해서는, 위 오차들을 줄이고 시약의 질량 조성을 다양하게 하여 더 다양한 실험값을 얻어내야 한다. 이번 실험에서는 질량조성을 8가지만 설정해 대략적인 상경계도를 그렸으므로 그 형태의 정확도가 떨어졌을 것이다. 또한 이로 인해 평형에 있는 두 액상의 조성이 같아지게 되는 지점인 상계점을 도시하지 못했다. 따라서 더 다양한 질량조성으로 실험을 진행해 상계점에서의 질량 조성을 얻어내고, 삼각도에 도시했다면 더 정확한 상경계도를 완성할 수 있었을 것이다.
이러한 오차들을 줄이고 실험의 정확도를 높일 수 있는 장치들을 이용하고, 좀 더 다양한 질량조성을 이용하면 더 정확한 상경계도를 그릴 수 있으며 성공적인 실험결과를 얻을 수 있을 것이다.
5. Reference
[1] 2019학년도 3학년 2학기 실험노트
[2] Richard M. Felder 외 2명, ‘화학공정계산’, 한티미디어, 2017, 259~261page

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