기체확산실험

목차

1.
Introduction .................................................1-4

1.1확산 ........................................................1

1.2확산 속도 .............................................1

1.3물질 전달에서의 확산의 역할 ..........................1

1.4Fick의 확산 법칙 ......................................1-2

1.5확산 계수 .....................................2-3

1.6기체 확산 실험 장치 .....................................3

1.7기체 확산 측정 원리 ...............................3-4

1.8확산에 영향을 미치는 요인 ............................4

1.8.1 온도 ..............................................4

1.8.2 확산 입자의 질량, 크기 및 종류 ................4

2.Experiment ..........................................5

2.1실험 목적 .......................................5

2.2실험 준비물 ........................................5

2.3실험 방법 .........................................5

3.Result & Discussion ..............................6-9

3.2.Result .........................................6-8

3.3.Discussion .....................................8-9

4.Conclusion ......................................10-11

5.Reference ..........................................12

본문내용

진행하였다. 하지만 실제로 아세톤의 공기 중의 확산은 관 내 에서 한 방향으로만 일어나는 것이 아니라 매우 랜덤하게 모든 방향에서 일어나게 된다. 또한 아세톤 기체를 이상기체로 가정할 수 있을 만큼 그리 낮은 압력이나 높은 온도에서 실험을 진행한 것이 아니기 때문에 여기에서 오차가 발생하였을 것이다. 이러한 이유들 때문에 그래프를 그려보았을 때 점들이 정확하게 일직선 위에 위치하지 않고 조금씩의 오차 값을 가지는 것이리라 생각된다. 또한 기상에서도 전체 몰농도를 계산할 때, 이상기상기체를 가정하여 값을 얻었다. 이 역시 실제 기체와는 차이가 나므로 오차를 일으키는 원인으로 작용했을 것이다. 또 다른 오차의 원인을 알아보자면, 실험 진행시 미처 대기압을 측정하지 못하였다. 압력은 확산계수에 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 따라서 정확한 대기압의 값을 측정하지 못하고, 1기압인 760mmHg로 가정하여 계산하였기 때문에 문헌 값에 가까운 확산계수의 값을 얻을 수는 없었을 것이다. 이 밖에도 액면의 높이를 측정할 때 읽는 사람의 눈 위치에 따라 조금씩 값이 달리 읽힐 수 있으므로, 여기서도 오차가 발생했을 것이며, 실험을 조작하는 과정에서도 기기를 다루는 것에 미숙하여 오차를 만들었을 것으로 추정된다. 그리고 실험 중 항온조의 수면을 아세톤의 계면보다 높이지 않았기 때문에 아세톤이 기화하는데 필요한 충분한 열에너지를 받지 못해서 기화가 잘 이루어 지지 않았을 것이다. 이는 아세톤의 확산속도 즉, 액면의 높이 변화에 영향을 주었고, 따라서 정확한 확산계수의 값을 얻지 못하였을 것이다. 오차의 원인을 줄이기 위해서는 최대한 아세톤이 잘 기화될 수 있도록, 충분한 열에너지를 공급해주고 이를 유지시켜주는 게 중요하다. 이를 개선하기 위해서는 항온조의 성능을 높이거나, 아세톤 계면위로 증류수가 충분히 잠기도록 해야 한다.
4. Conclusion
기체 확산에 대해 기본 개념을 알고 실험 장치를 이용해 기체의 계면에서 일어나는 기체 확산 현상을 관찰하여 확산계수를 구하는 실험을 하였다. 확산이란 밀도 차이나 농도 차이에 의해 물질을 이루고 있는 입자들이 스스로 운동하여 농도(밀도)가 높은 쪽에서 농도(밀도)가 낮은 쪽으로 액체나 기체 속으로 분자가 퍼져 나가는 현상이다. 이 확산현상을 이용해 기체 확산 실험을 했다. 우선 가는 모세관 안에 주사기를 사용하여 아세톤을 넣었다. 항온조 안의 온도를 49℃로 일정하게 유지하면서 진공 Pump를 사용한 Suction으로 증류수를 순환시키며 아세톤 기체를 확산시켜줬다. 한시간 동안 10분 간격으로 모세관 안에 액면 높이를 확대경으로 확인하고 아들자로 측정하였다. 액면의 높이는 갈수록 낮아져서, 아들자로 잰 길이는 점점 증가하였고, 처음 높이와 나중 높이의 차는 0.2cm 이다. x축 시간 y축 Zt2-Z02 [cm2]의 그래프에서는 기울기는 평균값으로 대체적인 선형을 이루었다. 이 기울기는 2.3×10-4 cm2/s로써 확산 속도를 의미한다. 액상 아세톤의 몰밀도는 ρML= 식에 밀도 0.791g/cm3 와 아세톤의 분자량 55.08g/gmol 을 대입하여 계산한 결과 0.01362 gmol/cm3 을 얻었다. 하지만 이 실험의 항온조 온도는 49℃이다. 그러므로 밀도는 온도 증가에 줄어들었을 것이다. 아세톤은 액상은 비압축성이라 부피변화가 없지만 기화와 액화의 사이의 실험이기 때문에 압축성 물질인 기체에 해당하는 부피변화가 예상된다. 그러므로 몰밀도는 0.01362 gmol/cm3 보다 더 작게 나와야 한다. 다음은 기상에서의 전체 몰농도를 구하였다. 식의 사용으로 3.7828×10-5 gmol/cm3 값을 얻었다. 압력에 영향을 받는 몰농도는 압력과 비례하므로 압력이 작아지면 몰농도는 감소한다. 안토니 식을 이용해 49℃에서의 증기압은 16.0043 mmHg 라는 것을 알았고, 이 수치를 이용해 M1 과 ML의 값을 각각 0.02106, 0.515033 로 얻었다. 이제 이 값을 가지고 확산계수를 구하였다. 확산계수는 0.9987 cm2/s 의 값으로 최종 결과가 나왔다. 확산계수는 몰농도와 반비례 관계이다. 따라서 압력이 작아지면 몰농도는 감소하고 확산계수는 증가한다. 아세톤의 확산계수 문헌 값은 1atm, 0℃에서 0.32 ft2/h = 0.0826 cm2/s 로 1atm, 49℃ 실험에서 구한 확산계수 0.9987 cm2/s과 정확한 비교는 불가하지만, 온도가 높아지면 몰농도가 작아지고 몰농도가 작아지면 확산계수가 커진다는 것에 의해 문헌 값인 0℃보다 실험에서의 49℃ 온도가 더 높으므로 실험값의 확산계수가 문헌 값의 확산계수보다 커져야한다는 것을 알 수 있다. 따라서 이 점에서는 확산계수가 올바르다고 할 수 있다. 확산은 물질의 물질적 힘에 의해 전달되는 현상으로 분자량과 상호인력 분산력으로 결정되는 물질 고유의 확산계수와 농도의 거리에 대한 기울기, 즉 확산 속도에 비례한다는 것을 알 수 있었다. 49℃의 문헌값은 알 수 있었다면 더 확실한 오차를 알 수 있었을 것이며, 실험 장치를 보다 확실한 방법으로 열의 흐름을 완전히 전달할 수 있는 조건에서는 실험한다면 확산계수의 이론값과 실험값의 오차를 줄이는 데 도움이 될 것이다. 또 확대경을 볼 때에 정확성을 좀더 고려해야 겠다. 온도는 몰농도와 반비례, 따라서 몰농도는 확산계수와 반비례하므로 온도가 높아질수록 확산계수는 증가한다. 결론은 압력과 확산계수는 반비례, 온도는 확산계수와 비례한다. 따라서 확산은 압력에 반비례하고 온도와 농도의 기울기에 비례한다.
처음으로 사용해본 기체 확산 장치의 사용법을 알았고, 확대경과 아들자의 사용법도 되새기면서 확산에 대해 직접 확인하고 결과를 얻을 수 있었다.
References
1. http://100.naver.com/100.nhn?docid=173254
2. 화학공정계산 / Richard M. Felder; Ronald W. Rousseau 원저; 유의연 [외역].(2003)
3. 단위조작 / Warren L. McCabe; Julian C. Smith; Peter Harriott [공저]; 이화영; 전해수; 조영일 공역.(2005)

키워드

기체,   확산,   화학공학실험