이산화탄소 헨리상수

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이산화탄소 헨리상수에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

과 측정된 NaOH 용액의 농도와 증류수 5.0mL를 적정한 결과 측정된 blank 값은 다음과 같다.
흔든 시간(분)
NaOH 부피(mL)
이산화탄소
0
4.8
1
1.3
2
0.8
3
0.2
NaOH 부피(mL)
증류수
0.08
여기서 증류수를 적정한 이유, 즉 blank 값을 측정한 이유는 증류수가 완전히 순수하지 못하고 녹아있는 이온이나 공기중에서 CO2 기체가 녹는 등의 이유로 인해 액성(산성)을 띄므로, 탄산수 적정시 종말점에 도달하기까지 필요한 NaOH 용액의 부피에 영향을 주기 때문이다. 다시 말해 blank 값을 측정하는 이유는 위에서 언급하였듯이 종말점과 당량점의 차이인 적정오차(titration error)를 추정하기 위해서이다. 용액 제조시 사용한 증류수의 부피는 5.0(mL)였고, blank 값 측정시 사용한 증류수의 부피 또한 5.0(mL)였으므로, 탄산수 적정시 사용된 NaOH의 부피에서 blank 값을 빼주면 탄산수 용액의 적정에 사용된 보다 정확한 NaOH 용액의 부피 값이 나오게 된다. 탄산수 적정시 사용된 NaOH 용액의 부피에서 증류수 적정시 사용된 NaOH 부피(0.08mL)를 빼준 결과는 다음과 같다.
흔든 시간(분)
NaOH 부피(mL)
NaOH 부피-blank 값(mL)
이산화탄소
0
4.8
4.72
1
1.3
1.22
2
0.8
0.72
3
0.2
0.12
탄산수의 몰 농도(M)을 구하기 위해 실험 1에서 사용했던 계산 방법과 동일한 계산 방법을 사용한다. 용액의 색이 자주색으로 변하는 지점은 1차 종말점으로, HCO3-이온이 주로 존재하는 지점이다. 탄산(H2CO3)의 이차 해리상수 ka2=4.8×10-11으로 일차 해리 상수인 ka1=4.3×10-7에 비해 매우 작기 때문에, 탄산의 이차 해리는 무시하고 일차 해리만을 생각하여 계산한다. 실제 이차해리는 주로 1차 종말점 이후에 NaOH 용액이 더 주입되었을 경우 발생하므로 고려하지 않아도 무방하다. H2CO3는 약산이지만, 강염기인 NaOH에 의해 OH-의 몰 수만큼 반응하므로 1:1로 반응한다. 따라서 n=M1V1=M2V2(1:NaOH, 2:탄산수)이므로 55.15297907×V1=M2×5에서 M2를 구하면 다음 표와 같다. 이 때, 헨리의 법칙 c=KHP에서 P는 바이알 속의 이산화탄소 기체와 탄산수가 평형을 이루었다고 가정하였으므로 1기압이 되므로 헨리상수 KH=c(NaOH의 몰 농도(M))가 된다.
흔든 시간(분)
헨리 상수(KH)
이산화탄소
0
0.05206441224≒0.052
1
0.01345732689≒0.013
2
0.007942028986≒0.0079
3
0.001323671498≒0.0013
이를 그래프로 나타내면 다음과 같다.
※ P=1(atm)이므로
CO2기체의 용해도
=KH(헨리상수)임을
알 수 있다.
이 그래프에서 알 수 있듯이 용액을 흔든 시간이 증가할수록 헨리상수 값이 감소함을 알 수 있다. 이는 용액을 흔들 때 탄산수 내부에 용해되어 있던 이산화탄소 기체의 운동이 활발해지고, 또한 마찰열에 의해서 온도가 상승하는 효과가 생겨 용해도가 낮아지므로(용해도는 온도와 반비례하므로) 이산화탄소 기체가 빠져나가기 때문으로 보이며, 흔든 시간이 증가할수록 헨리상수, 즉 이산화탄소 기체의 용해도는 감소하게 된다. 물론 외부에서 용해되는 CO2기체도 있겠지만, 용해되는 양보다 빠져나가는 기체의 양이 많기 때문에 헨리 상수가 감소하는 것으로 생각된다.
또한 흔든 시간이 0분과 1분일 때 헨리상수가 큰 차이를 보이는데, 이를 통해 탄산수를 흔들 때, 초기에 이산화탄소 기체가 다량 빠져나간다는 사실을 알 수 있었다. 온도에 따른 헨리상수를 나타낸 식 중 하나가 반드호프의 방정식(van\'t Hoff equation)이다.(2)
KH(T)=KH(T-)exp[-c()] T:절대온도 T-:표준온도(298K)
Values of C(2)
Gas
O2
H2
CO2
N2
He
Ne
Ar
CO
C/K
1700
500
2400
1300
230
490
1300
1300
앞에서 언급하였듯이, 273K(0℃)에서 이산화탄소의 헨리상수는 3.4×10-2이다. 그러나 실제 이산화탄소 기체의 온도는 실험실이 온도인 약 18℃(291K)이므로, 이론적인 헨리상수 값을 구하기 위해서는 반트호프 방정식을 이용하여야 한다. 먼저, KH(T-)의 값을 구해야 하므로, KH(273)=3.4×10-2를 이용하여 3.4×10-2=KH(T-)exp[-2400()]에서 298K에서의 KH, 즉 KH(T-)를 계산하면 KH(T-)=0.07108512≒0.071이 나온다. 따라서 18℃(291K)에서의 KH를 구하며, KH(291)=0.071exp[-2400()]=0.06109567699≒0.061이 나온다. 따라서 이론적인 헨리상수(18℃에서)는 0.061이고, 우리가 구한 헨리상수는 약 0.052가 나온다. 약간의 차이가 있으나, 실제 이론값에 매우 근접한 수치임을 알 수 있다.
5. Discussion
이 실험에서 발생한 오차의 원인은 여러 가지를 생각해 볼 수 있다. 먼저, 일정 부피의 용액을 취하기 위해 홀피펫을 사용했는데, 홀피펫을 용액에 넣고 용액을 휘한 후 홀피펫을 용액 밖으로 꺼내면 홀피펫의 용액 눈금이 조금 내려가는 현상이 관찰되었다. 이는 용액속에서 용액에 의한 일종의 수압과 같은 압력이 작용하는데, 피펫이 용액 밖으로 나오면 그 압력이 사라지게 되어 발생한 것으로 보인다. 또 다른 원인으로는 액체 분자간의 인력인 액체의 정성 대문인 것으로 보이며, 홀피펫 속의 용액의 기포가 점점 공기중으로 빠져나가게 되면서 홀피펫의 용액의 부피가 점점 감소하게 되어 오차가 발생하였을 것으로 보인다.
뷰렛의 정밀성 도한 오차의 원인이 되었을 것으로 보인다. 뷰렛의 NaOH 용액을 한 방울 떨어뜨렸을 대 그 양이 약 0.1mL 였는데, 이보다 적은 양을 떨어뜨리기가 쉽지 않았다. 증류수의 경우도 NaOH가 0.08mL 쓰였다고 하였으나, 뷰렛의 최소눈금이 0.1mL 단위여서 정확하지 않은 수치이며 이보다 훨씬 적은 양을 주입하여야 하였으나 주입하지 못하였다. 증류수 외에 탄산수나 kHP를 적정할 때에도 뷰레

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이산화탄소,   헨리,   상수