[화학공학과 화학공학 실험] 증기압 측정과 평균 증발열측정.

소개글

ABSTRACT

이번 실험은 400mmHg, 460mmHg, 520mmHg, 640mmHg, 760mmHg에서 물과 메탄올의 증기압을 동적인 방법으로 측정하여 이 자료로부터 평균 증발열을 계산하는 실험이었다.
증기압(Vapor pressure)은 증기가 같은 액체 또는 고체와 평형상태일 때 증기에 의해서 가해지는 압력, 즉 이러한 상태에서는 물질이 2상 또는 3상으로 존재할 때이다. 증기압은 어느 물질이 기체, 즉 증기상태로 변화되려고 하는 경향을 나타내는 척도이며 온도에 따라 증가한다. 액체의 표면에서의 증기압이 대기압과 같게 되는 온도를 액체의 끓는점이라고 한다.
물과 메탄올을 가지고 실험을 했는데 먼저 용액을 플라스크 속에 깊이가 약 4㎝ 되도록 넣었고 마개와 온도계를 끼웠다. 냉각기를 수도꼭지에 연결하고, 물 aspirator를 이용하여 장치 안의 압력을 스톱콕으로 조정한 다음 액체가 천천히 끓을 때까지 가열하였다. 400mmHg, 520mmHg, 610mmHg, 700mmHg, 760mmHg 에서의 끓는점을 측정하였는데, 압력을 증가시킬수록 거기에 따른 끓는점도 따라서 증가한다는 것을 관찰할 수 있었다.
압력의 로그값에 대한 절대온도 역수를 나타낸 그래프의 기울기를 이용하여 Clausius-Clapeyron식에 대입함으로써 증발열을 구하였다. 실험의 결과값들을 살펴보면 증류수의 증발열은 69.146 (KJ/㏖)으로 문헌값 44.20 (KJ/㏖)과 +24.946(KJ/㏖)의 오차가 있었다. 메탄올은 증발열이 59.800(KJ/㏖)으로 문헌값 37.43(KJ/㏖)과 +22.37(KJ/㏖)의 오차가 있었다.
실험을 하면서 manometer의 수은주의 높이가 내려가서 압력을 유지하기가 힘들었는데, manometer의 수은주의 높이가 움직일 때마다 다시 원래 값으로 계속 맞춰줬는데 여기에서 오차가 발생한 것 같다. 그래서 끓는점을 정확히 측정해야되는데 manometer의 수은주가 내려가면 압력이 높아서 끓는점이 높아지기 때문에 정확히 측정하지 못한 것이 큰 오차일 것이다.
비록 오차가 많이 난 실험이었지만 증기압과 끓는점의 관계를 비롯한 많은 이론들을 알 수 있었다.

목차

1. INTRODUCTION
1-1. 실험목적
1-2. 이론
1-2-1. 증기압 (蒸氣壓, vapor pressure)
1-2-2. 증발열
1-2-3. Clausius-Clapeyron식
1-2-4. manometer의 원리
1-2-4. 아스피레이터(aspirator)
1-2-5. 온도 측정 및 보정
1-3 유 의 사 항
1-4 물 리 상 수

2. EXPERIMENTAL
2-1 기구 및 시약
2-2 실험 절차

3. RESULTS & DISCUSSION
3-1 Raw Data
3-1-1 증류수의 끓는점
3-1-2 메탄올의 끓는점
3-2 RESULTS
3-2-1 증류수의 실험값
3-2-1-1 증류수의 증발열 계산
3-2-2 메탄올의 실험값
3-2-2-1 메탄올의 증발열 계산
3-3 DISCUSSION

4. REFERENCES

본문내용

1. INTRODUCTION
1-1. 실험목적
이 실험의 목적은 액체의 증기압을 동적인 방법으로 약 300mmHg에서 760mmHg의 범위에 걸쳐 측정하는 데 있다. 또 증기압 자료로부터 평균 증발열을 계산한다 [1].

1-2. 이론
1-2-1. 증기압 (蒸氣壓, vapor pressure)
일정량의 어떤 액체를 액체 자신의 부피보다 용량이 크고 진공으로 되어 있는 용기 속에 넣어두면 액체의 일부가 증발되어 용기의 나머지 부피는 증기로 채워진다. 평형이 이루어진 후에도 액체가 조금 남아있을 때는 용기 속에 있는 증기의 압력은 그 계의 온도만의 함수가 된다. 이 때 나타나는 압력이 액체의 증기압(vapor pressure)으로 액체의 한 특성이며, 증기압은 온도에 따라 급격히 증가한다. 증기압이 1atm과 같아지는 온도를 그 액체의 정상 끓는점(normal boiling point)이라고 하며, b로 나타낸다. 고체의 증기압이 그 고체의 녹는점보다 낮은 온도에서 1atm에 도달하게 되면 그 고체는 승화한다. 이 온도를 정상승화점 s라고 한다. 끓는점과 승화점은 물질에 가해지는 압력에 달려 있다.
증기압이 존재하고 또 이것이 온도에 따라 증가한다는 것은 Maxwell-Boltzmann 에너지분포의 결과이다. 낮은 온도에서도 에너지분포 때문에 액체분자의 일부는 그 액체의 응집에너지보다 큰 에너지를 갖는다. 이러한 분자의 분율은 온도가 증가함에 따라 급격히 증가한다. 그 결과 온도가 증가함에 따라 증기압이 급격히 증가하는 것이다. 휘발성 고체에 대해서도 마찬가지이다.
위와 같은 설명에 의하면 어느 특정온도에서 큰 응집 에너지를 갖는 액체 (즉, 몰증발열 vap가 큰 액체) 는 작은 응집 에너지를 갖는 액체보다 작은 증기압을 나타낸다.
일반적인 Boltzmann 분포로부터도 증기압과 증발열 사이의 관계를 설명할 수 있다. 액체와 증기가 평형을 이루고 있는 계는 분자의 퍼텐셜에너지 값이 서로 다른 두 영역을 가지고 있다.

참고 자료

[1] 신형식 편저, 화학공학기초실험, 전북대학교 환경·화학공학부, 실험 6,
P 22-25
[2] 黃正儀, 물리화학, 喜重堂, 서울특별시 , Chapter 5, P. 79∼80, 1986.
[3] JOHN W.MOORE, THE CHEMICAL WORLD, 일반화학교재연구회, pp. 631∼665, 2000.
[4] Charles Kittel, Herbert Kroemer, 열물리학, 2nd.ed, 탐구당,1986; Ch10
[5] Robert G. Mortiner, 물리화학, 자유 아카데미, 1994; Ch5
[6] W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriott, 단위조작, 4th.ed, 희중당
[7] http://kr.ks.yahoo.com/service/question_
[8] 정광보·서병수·장승현·임계규공저, 유기화학실험, 신광문화사, 서울특별시, Chapter 3, P. 34∼35, 2000.
[9] 화학교제편찬위원회역, 유기화학실험, 淸文閣, 서울특별시, Chapter 5,
P. 67∼68, 1997.
[10] R.M. Felder, R.W. Rousseau, 화공양론, 2nd.ed, Courier, 1986,
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