일반화학실험 어는점 내림과 분자량

안녕하세요? 오늘은 일반화학실험 어는점 내림과 분자량 레포트를 공유드리겠습니다. 

1. 제목

어는점 내림과 분자량

2. 실험 목적

순수한 용매보다는 용액의 어는점이 낮아지게 되고 용질의 농도가 증가함에 따라 더욱 감소한다. 이러한 어는점 내림 현상을 이해하고 이를 이용하여 용질의 분자량을 결정한다. 

3. 실험 이론

1. 증기압 내림

비휘발성 용질이 녹아있는 용액의 증기압력이 순수한 용매의 증기압력보다 낮아지는 현상=>용액의 표면에는 용매와 용질분자가 존재하므로 표면이 용매분자수를 감소시켜 증기압력을 감소시킬 수 있다. 용액의 농도가 증가할수록(용질의 입자수가 증가할수록)증기압력은 더 낮아진다.

2. 라울(Raoult)의 법칙

용액 내 용매의 증기압은 그 용액의 몰분율에 비례한다. 

  

(p:용액에서의 용매의 증기압, p0:순수한 용매의 증기압, x:몰분율)

각 온도에서 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압보다 낮으며 그 차이는 온도 및 증기압이 증가함에 따라 증가한다. 어는점 내림(ΔT)은 증기압 내림(ΔP)에 비례하므로 

                                

이다. 이 용액이 매우 묽은 용액(n1>n2)라고 가정하면

여기서 용매와 관련된 k'fMB을 1000kf로 정의 한다. (1=A=용매, 2=B=용질)

kf는 용매에 의해서 특정 지워지며 용질의 성질에는 무관하다.

따라서 분자량은,

< Kf:어는점 내림 상수, T0: 순수한 용매의 어는점, T: 용매의 어는점 WA: 용매의 무게 WB: 용질의 무게>

3. 끓는점 오름과 어는점 내림 

“비휘발성, 비전해질인 용질이 녹아 있는 용액의 증기압력 내림은 용질의 몰랄농도에 비례한다.”

위 그림은 용액의 증기압력이 용매의 증기압력보다 낮음을 보여준다. 이런 용액이 끓으려면 낮아진 증기압력을 회복해야만 하는데(끓기 위해서는 증기압력이 외부 압력과 같아야 하지만 100℃ 수용액의 증기압력이 낮아졌기 때문) 그러기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하므로 온도를 더 높여야 끓게 된다. 따라서 끓는점이 올라가게 되는 것이다. 

비휘발성 용질이 물속에 녹아있으면 물 분자가 결정화할 때 용질이 방해하기 때문에 어는  점이 더욱 낮게 되는데, 이를 어는점 내림이라고 한다. 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림은 용액의 몰랄 농도에 비례한다. 

DTb=kbm, DTf=kfm

(DTb: 끓는점 오름, kb:몰랄 오름 상수, DTf: 어는점내림, kf: 몰랄내림상수, m: 몰랄농도)

그런데, 물 1kg에 설탕 1몰을 녹인 용액과, 소금 1몰을 녹인 경우를 비교하면, 소금을 녹인 경우 끓는점이 더 높고 어는점이 더 낮음을 알 수 있다. 이는 소금이 전해질이어서 물속에서 비전해질인 설탕보다 2배 많은 입자들이 생기기 때문이다. 소금과 같이 물속에서 거의 100%이온화하는 물질은 비전해질을 녹인 용액에 비하여 어는점은 더욱 낮아지고 끓는점은 더욱 높아진다. 예를 들어 물 1kg에 용질 1몰을 녹인 용액의 경우는 다음 표와 같다. 

4. 삼투압

액체는 양피지, 셀로판 그리고 PVC막을 통해 확산할 수 있는 것과 같이 피부와 다른 생물 막을 통해 확산할 수 있으나 더 큰 용질의 분자는 허용하지 않는 막, 즉, 반투막을 쉽게 통과하지 못한다. 용매 분자가 묽은 용액으로부터 더 진한 용액으로 반투막을 통하여 이동하는 것을 삼투라고 한다. 

만약 용기를 반투막으로 두 구획으로 나누고 같은 순수한 액체를 용기의 양쪽에 넣으면 액체의 분자들은 두 방향으로 같은 속도를 가지고 확산하며 뚜렷한 변화는 없다 그러나 만약 막의 한쪽 액체에 물질을 녹이면 그 쪽 용매의 유효농도는 낮아져서 더 적은 수의 용매분자가 막을 통해 확산할 것이나 막의 다른 쪽의 분자는 여전히 자유롭게 확산할 수 있으므로 결과적으로 액체의 두 방향의 확산속도가 같지 않게 된다. 

막 양쪽의 액체의 높이는 곧 다르게 되며, 이 과정은 막의 용액 쪽의 무게가 두 방향의 용매분자의 확산이 다시 같은 속도로 진행할 만큼 충분히 큰 압력을 나타낼 때까지 계속한다. 농도가 다른 용액도 같은 식으로 행동하게 되는데 이 때 확산속도와 용매의 농도가 같아질 때까지 더 묽은 용액으로부터 더 진한 용액으로 더 많이 분자가 이동한다. 

(반투막: 셀로판지, 방광 막, 세포 막 등,  묽은 쪽에서 진한 쪽으로 용매가 이동한다.)

*반트호프법칙

묽은 용액의 삼투압은 용매와 용질의 종류와는 관계없이, 용액의 몰 농도와 절대온도에 비례한다는 법칙. π=CRT(R:기체상수, C=n/V)

*고분자화합물의 분자량 측정: 

삼투압을 이용 C=n/V에서 n은 몰수, w는 질량, M은 분자량으로 놓으면, 

πV=nRT=wRT/M 

이다. 이식은 고등학교 때 배운 이상기체 상태방정식 PV=nRT와 일치한다. 이것은 기체가 나타내는 압력이 용기 벽에 부딪혀지는 기체분자에 의해 생긴다는 점에서 반투막에 미치는 용질분자에 의한 삼투압과 본질적으로 같다는 것을 보여준다. 따라서 식을 이용하여 M=wRT/πV 로부터 용질의 분자량을 알 수 있다. 

5. 용액의 총괄성 

어떤 성질이든 간에 용질입자의 농도에 비례하여 영향을 받으나 그들 입자의 성질에 무관한 용매의 성질을 총괄성이라고 하며 따라서 증기압 내림은 총괄성이다. 농도의 변화에 따른 용액의 어떤 총괄성의 변화는 일정량의 용매에 녹아있는 용질의 양에 정비례한다. 이 용질의 몰수를 측정하는데 사용될 수 있기 때문이다.

 예를 들면 주어진 용매량에 들어있는 용질의 전체무게가 알려져 있고 증기압의 내림을 측정하여 입자수가 결정된다면 각 입자의 무게를 계산할 수 있다. 이것은 용액 속에 들어있는 물질의 분자량을 측정하는 방법을 제공한다. 다음은 4가지의 총괄성으로 이들은 모두 증기압에 관계된다. 

(1)증기압 내림 (2)어는점 내림 (3)끓는점 오름 (4)삼투압

4. 실험 과정

A. 나프탈렌의 어는점 결정

1) 8g의 나프탈렌을 측정하여 시험관에 첨가

2) 고무마개에 온도계와 교반기를 끼우고 시험관에 꽂는다.

3) 시험관을 가열하고 나프탈렌을 저어주면서 온도변화를 관찰

4) 나프탈렌이 완전히 녹았으면 녹은 온도를 확인

5) water bath에서 찬물을 첨가하여 온도를 낮추면서 85℃에서부터 30초마다 온도를 0.1℃단위로 측정하면서 냉각곡선을 작성

B. 나프탈렌 속에 녹아있는 미지물의 분자량 결정

1) 미지시료 1g을 측정하여 실험A에서 사용한 시험관 속에 첨가

2) 교반기, 고무마개, 온도계를 장착하고 시험관을 가열

3) 시료를 계속 저어주면서 온도변화를 관찰

4) 시료가 완전히 녹았으면 녹은 온도를 관찰

5) water bath에서 꺼내 85℃에서부터 30초마다 온도를 0.1℃단위로 측정하면서 냉각곡선을 작성

6) 나프탈렌의 응고가 완전히 끝날 때까지 온도를 측정하여 어는점을 결정하고, ΔTf값 계산

7) 1)식을 이용하여 미지물의 분자량을 계산

5. 참고 문헌

1. 일반화학실험: 오제직외 3명, 공주대학 P.46~48

2. 화학2: 김우탁외 2명, 박영사 P.299~304

오늘은 일반화학실험 어는점 내림과 분자량 레포트를 공유드렸습니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.