물리화학실험

김명윤·2024년 6월 3일

Exp 1. 연소열과 통열량계

Benzoic acid를 이용하여 통열량계의 열용량을 구한 후, 이를 이용하여 나프탈렌의 연소 엔탈피를 결정한다

열용량: 𝑞=𝐶×∆𝑇

본 실험의 반응식

Exp 2. 액체-증기 평형: 불변끓음 혼합물

아베 굴절계를 사용하여 이성분 혼합물의 조성에 대해 알아본다
=> 액체가 끓을 때 용액의 온도, 증류액의 굴절률, 용액의 굴절률

라울법칙
두 가지 액체가 섞여 있을 경우의 각 성분의 증기 압력은 각 성분의 몰분율과 그의 순수한 상태에서의 증기 압력에 정비례
분별 증류
증류 과정을 반복하여 순수한 액체를 만드는과정
- 이론단의 수: 용액의 특정 조성 상태에서 원하는 조성의 응축액을 얻기까지 필요한 증발, 응축 단계 수
azeotrope
2성분 이상의 용액에 대한 끓는점 조성 도표에서, 끓는점에서 용액의 조성과 증기의 조성이 같아지는 지점이 존재하는 혼합물

이제 이 추세선 식에 실험에서 얻은 굴절률을 대입하여 각 몰분율을 얻음 (액체, 증기)
메탄올에 벤젠을 넣는 실험에서는 벤젠의 온도 조성 도표
온도와 벤젠 몰분율 그래프 추세선 교점 구함

Discussion

이번 실험에서는 벤젠과 메탄올의 혼합물을 사용하는데, 메탄올의 구조를 살펴보면 OH기가 있어 극성 작용기가 있으며, 탄소의 개수또한 1개로 작다. 벤젠의 경우 탄소와 수소로만 이루어져있으므로 무극성 물질이다. 즉 둘의 극성이 달라 like dissolve like 에 따라 서로 잘 섞이지 않을 것이다
실험 결과, 밀도가 더 큰 물질인 벤젠의 양이 많아질수록 굴절률이 커지는 것을 알 수 있었다. 밀도가 크면 매질에서 빛의 속도가 느려져 빛이 더 많이 굴절하게 되어 굴절률이 커지는 것이다.

Exp 3. 어는점 내림과 분자량 결정

측정한 벤젠-나프탈렌 용액의 어는점과 벤젠의 어는점을 비교하여 어는점 내림을 통해 용질의 분자량을 결정한다.
=> 벤젠과 나프탈렌의 무게, 벤젠과 벤젠-나프탈렌 용액의 어는점

총괄성
용액의 물리적 성질 중 용질의 종류와는 상관없이 용질의 입자 수에 따라 결정되는 성질
ex) 끓는점 오름, 어는점 내림, 증기 압력 내림, 삼투압

어는점 내림
용매에 비휘발성 용질이 존재할 때 어는점 하강
과냉각
용액을 냉각 시킬 때 빠르게 냉각시켜 고체로 상변화가 일어나야 하는 온도보다 아래의 온도에서도 상변화가 일어나지 않는 현상
액체분자나 기체분자가 고체분자의 배열로 재정렬 되기엔 냉각이 빠르게 일어나 고체가 되지 못하기 때문에 일어난다.

m= mol/kg

순수: 과냉각된것으로 결정핵이 부족하여 어는점보다 온도가 낮아도 결정을 형성하지 못한것
여기서 더 냉각시키면 응고열을 방출하면서 온도가 올라가고 고체를 형성

혼합: 다시 온도가 낮아지는 이유는 용매 결정이 형성되면서 액체 상태 용매가 줄어들고, 이에 따라 용질의 농도가 증가하므로 어는점내림이 심화된 것

용액의 화학 퍼텐셜은 용매일 때보다 감소
물질이 모두 방향족 화합물이며 무극성이므로 잘 섞여서 총괄성을 파악하기에 좋음
입자수에만 비례하여 녹는점이 낮아짐
공기재킷을 만든 이유는 벤젠의 급격한 온도변화를 막아주기 위함

Exp 4. 어는점 도표 이성분 유기혼합물계

공융점
이성분계의 냉각곡선에서 두 고체 성분이 동시에 녹는 점
순수한 물질보다 더 낮은 온도에서 조성의 변화 없이 녹는다
상법칙
F=C-P+N (F:자유도, C:독립성분의 수, P: 상의 수, N: 조성과 무관한 변수의 수)로 나타낼 수 있는 규칙으로, 평형을 이루는 상의 수를 변화시키지 않으면서 독립적으로 변화시킬 수 있는 세기 성질의 수인 F를 나타내는 것이다.

이번 실험은 응축상 이성분계이므로 C=2, N=1 이므로 F=3-P이다

a-b 구간에서는 액체상만 존재하기 때문에 P=1이므로 온도가 감소할 수 있는데, 이러한 양상이 실제 실험에서도 나타난 것을 볼 수 있다. 또한 ab구간이 bc구간보다 더 가파르게 온도가 감소하는데, 이는 b 구간부터 고체가 석출되기 시작해 열을 방출하고, 이로인해 온도 감소가 느려지게 되기 때문이다. 또, b-c구간은 액체상과 고체상이 있어 P=2가 되므로 자유도가 1이므로 온도가 감소할 수 있다. c-d구간은 나머지 다른 고체도 냉각되기 시작하여 전부 냉각 되기 전까지는 세개의 상이 존재하기 때문에 자유도가 0이 되어 온도가 일정하게 유지되고, d 이후엔 다시 고체상 2개만 존재하게 되어 P=2가 되고, 이로인해 F가 1이 되어 다시 온도가 감소한다.

Exp 5. 용매 사이의 용질의 분배

섞이지 않은 두 용매에서 용질의 평형분배에 대해 공부하고, 실험을 통해 분배계수와 회합(해리)상수를 구하는 것

평형분배 법칙
섞이지 않는 두 용매에 어떤 용질이 존재할 때 그 용질은 각각의 용매에서 일정한 농도로 평형을 이루게 되는데 이 현상을 평형분배 법칙
분배계수
각각의 용매에서의 용질의 농도의 비율

회합
단일 분자가 서로 인접하여 두개 이상의 분자가 마치 하나인 것 처럼 움직이는 것
아세트산은 유기용매에서 분자간 수소결합을 통해 아래 그림과 같이 회합을 이루는 특징이 있음

지시약
염기성-붉은색
산성 - 무색

걍 농도맞나 확인한거임
같은 방식으로 수영액층과 에서층의 농도구해줌

아세트산은 물과 ether모두에 잘 녹으므로 이번 실험에서 용질로 선정
평형은 동적 평형
아래층이 수용액, 위층이 ether
수용액 층에 아세트산이 더 많이 녹은 것을 알 수 있다. 이는 카복실기와 물의 수소결합에 의한 결과
분배 계수의 경우 아세트산의 농도가 증가함에 따라 같이 증가
초기 아세트산의 농도가 증가할수록 ether층에 녹은 아세트산의 양이 많아진 것을 알 수 있다. 초기 농도가 작을 땐 더 잘녹는 물에는 포화상태로 녹고, ether층에는 덜 녹은 상태였다가, 용질의 양이 많아짐에 따라 ether층에 더 많이 녹을 수 있게 되어 분배계수가 증가한 것으로 생각할 수 있다.
실험에서 사용한 용매 모두 산소의 비공유 전자쌍이 존재하므로 아세트산의 H와 상호작용이 일어날 수 있다. 이로인해 완전한 회합이 일어나지 않은 것으로 보인다.

Exp 6. 가시광선 분광기를 이용한 약산의 해리상수 결정

약산인 Thymol blue 지시약이 수용액에서 부분 해리되었을 때의 최대 흡광도를 가시광선 분광기를 이용하여 측정한 뒤, Henderson-Hasselbach 식과 Beer-Lambert 식을 이용하여 약산의 해리 상수를 구하는 것을 목적으로 한다.

Theory

등흡광점(isobestic point)

화학종 X가 Y로 변환될 때,두 물질의 스펙트럼이 특정 파장에서 교차된다면, 화학 반응이 일어나는 동안 두 물질의 모든 흡광도 스펙트럼이 이 특정 지점에서 교차 ➡️ 이 점을 등흡광점이라고 함

Thymol blue

지시약
변색범위는 pH 1.2 ~ 2.0에서는 붉은색, pH 2.0~8.0에서는 노란색, pH 9.6 이상에서는 푸른색에 해당한다
수용액에서 약산으로 작용해 부분적으로 해리됨
양성자화된 정도에 따라 conjugation 정도가 달라져 색이 변화하여 용액의 pH를 알 수 있음

Henderson-Hasselbach

pH와 pKa의 관계를 나타내는 식

농도가 묽은 약산의 경우 활동도 계수를 무시해 농도와 같다고 두어도 된다
이를 통해 완충용액의 pH를 구할 수 있다.

Beer-Lambert

흡광도가 흡광 화학종의 농도에 비레한다
단색광 복사에서 적용되며 묽은 용액에서 잘 적용 된다.

Procedure

0.2M NaOH와 1M HCl 수용액을 1000mL 부피 플라스크에 넣고 각각 10-3M NaOH 용액과 10-4M HCl 용액을 만든다.
티몰 블루 0.145g(3.00×10^−4 mol)을 200mL 에탄올에 완전히 녹인 뒤 1000mL 부피 플라스크에 넣고 증류수로 3×10^−4 M로 제조한다.
앞서 만든 티몰 블루 용액을 5mL씩 3개의 50mL 부피 플라스크에 넣어주고, 각각 위에서 만든 NaOH 용액, HCl용액, 그리고 pH 9.00 buffer로 50mL까지 묽혀준다
1cm 큐벳에 증류수를 채워 분광기의 영점을 보정하고, 분광기를 이용해 위에서 만든 세 티몰 블루 용액의 흡광도를 400nm-700nm 구간에서 5nm 간격으로 측정하여 흡광도 스펙트럼을 얻는다. 이후 이 스펙트럼을 분석한다.

DATA

1×10-4M HCl(노란색), pH 9.00 buffer(청록색), 1×10-3M NaOH(파란색) 순이다.

등흡광점은 대략 500nm에서 관찰된다.

비어법칙을 이용하여 각 화학종의 몰흡광계수를 구함
- 티몰 블루의 초기 농도(C0)
A-농도 구하기 (pH 9에서)
HA 농도 구하기
해리상수 구하기
해리도 구하기(640nm에서 εHA=0)

해리도 식에서 분모는 CHA가 0, 분자는 몰 흡광계수가 0

Discussion

pKa보다 pH가 작은 산성 용액에서는 HA가 존재하게 되고, 이 HA는 푸른색 영역의 파장을 흡수해 그 보색인 노란색을 나타낸다.
pKa보다 pH가 큰 염기성 용액에서는 A-가 존재하고, 이는 노란색 영역의 파장의 빛을 흡수해 그 보색인 파란색이 나타나게 된다.
티몰 블루의 경우 pKa의 문헌값이 9.00이므로 pH가 9.00일 때 A-와 HA가 1대1로 존재해 그 중간색인 청록색이 나타난다.
흡광도 스펙트럼을 보면 620nm 이상부터는 HCl 용액이 흡광도가 거의 0인 것을 볼 수 있는데, 이는 HA가 빛을 흡수하지 않는다는 것 -> 이를 이용해 해리도를 사용하여 해리상수 구함