화학 반응 양적 관계 실험

🧪 실험 목표

  탄산칼슘과 염산의 반응으로 반응물과 생성물 사이의 양적 관계를 확인하는 실험을 설계하고 수행하여 그 관계를 설명할 수 있다.

 

🧪 실험 준비물

10%(3 M) 염산(HCl(aq)), 탄산칼슘(CaCO₃), 증류수, 삼각플라스크, 메스실린더, 부피 플라스크, 비커, 피펫, 피펫 필러, 유리 막대, 깔때기, 탈지면, 온도계, 씻기병, 약 숟가락, 약포지, 계산기, 저울

 

✨ 문제 인식

주어진 [제시문]을 읽고 화학반응에서 반응물과 생성물 사이에는 어떤 양적 관계가 성립하는지 생각을 적으시오.

화학반응이 일어날 때 원자는 새로 생기거나 없어지지 않으므로 화학반응식을 완성할 때에는 반응물과 생성물을 구성하는 원소들의 원자 수가 같도록 맞춰준다. 또한, 화학에서 양적 관계는 상대적인 질량으로 나타내는 화학식량과 아보가드로수만큼의 묶음을 나타내는 몰(mole)을 이용하여 확인할 수 있다.

🔑 화학반응식은 반응물과 생성물의 종류와 상태뿐만 아니라 반응에 관여한 물질의 양적 관계를 나타내므로, 이를 이용하여 반응물과 생성물의 양을 구할 수 있다. 화학반응에 관여한 물질 사이의 계수비는 곧 몰비이므로, 이를 통해 반응물과 생성물의 질량비를 계산할 수 있다. 또 온도와 압력이 일정할 때 계수비는 기체의 부피비와 같다. 즉 화학 반응식을 통해 반응물과 생성물의 종류, 몰비, 질량비, 기체부피비 등을 알 수 있다.

 

✨ 준비하기

1. 탄산칼슘(CaCO₃)과 묽은 염산(HCl(aq))의 반응으로 화학반응에서의 양적관계를 확인하려고 한다. 이 반응의 화학 반응식을 완성하시오.

 

(  1  )CaCO₃(s) + (  2  )HCl(aq) → (  1  )CaCl₂(aq) + (  1  )CO₂(g) + (  1  )H₂O(l)

 

2. 부피 플라스크를 사용하여 시판되는 3 M 염산(HCl) 용액으로 1 M 염산 용액 250 mL를 제조하는 방법을 제시하시오. [Hydrochloric acid | Mw : 36.458 g/mol | d : 1.18 g/mL |  35 % | bp : -85.05 ℃ | 톡 쏘는 냄새]\

 

🔑 1 M 염산용액 250 mL 속에 HCl의 몰 수는 1 mol/L × 0.25 L = 0.25 mol 이므로,

                                                                     MV=M'V'
                                                            3 M × V = 1 M × 0.25 L
                                                           V = 0.083··· L       ∴ 8.3 mL의 3 M HCl을 250mL로 묽힌다.

1. 250 mL의 부피플라스크에 증류수를 반정도 채운다.
2. 3 M 염산용액 8.3 mL를 피펫으로 취해 부피플라스크에 넣는다.
3. 부피 플라스크의 마개를 닫고 여러번 흔들면서 용액을 골고루 섞는다.
4. 부피 플라스크의 마개를 열고 표시선까지 증류수를 채운다. 표시선에 가까워지면 씻기병을 이용해 표시선까지 정확하게 증류수를 넣는다.
5. 부피 플라스크의 마개를 닫고 여러 번 흔들면서 잘 섞는다.

 

📌 유의할 점

1. 염산은 부식성이 있으므로 피부나 옷에 묻지 않도록 주의한다.

2. 증류수를 채울 때는 눈금선은 넘지 않게 주의한다. 표시선에 가까워지면 씻기명을 이용해 표시선까지 정확하게 증류수를 넣고 마개를 닫은 후 거꾸로 세워 여러번 흔든다.

3. 250 mL 부피플라스크에 증류수 100 mL 정도 먼저 채운 후, 필요한 3 M 염산 용액을 피펫을 이용하여 넣도록한다.

4. 염산의 농도가 1.0 M보다 진하면 반응속도가 빨라져 플라스크 밖으로 용액이 흘러나올 수 있다. 반면에 염산의 농도가 1.0 M보다 묽으면 반응속도가 느려져 시간안에 실험을 끝낼 수 없다.

 

✨ 탐구 설계

1. 탄산칼슘과 염산이 반응하여 기체가 발생하는 화학반응에서의 양적관계를 알아보기 위해, 필요한 [실험준비물]을 골라 실험 방법을 설계하시오.(단, 실험을 설계할 때, 아래의 사항을 고려한다.)

🔑

✔ 실험과정을 구체적으로 적고, 실험장치(세팅)은 대략적으로 그려서 설명한다.
✔ 탄산칼슘이 모두 반응 할 수 있을 정도로 충분한 양의 염산을 준비한다.
✔ 실험에 사용할 반응물(탄산칼슘, 1 M 염산)의 양을 정한다.(단, 탄산칼슘의 질량을 3 회 이상 변화시키기로 한다.)
✔ 탄산칼슘과 염산의 반응으로 양적 관계를 알아보기 위해, 염화칼슘, 물, 이산화탄소 중 질량을 측정하여 물질의 양(mol)을 구할 수 있는 생성물을 고르고, 측정 방법을 생각해 본다.
✔ 화학식량은 CaCO₃ = 100.1, HCl = 36.5, CaCl₂ = 111.0, H₂O = 18.0, CO₂ = 44.0이다.

 

[실험장치(세팅) 그리기]

[실험과정 설계]

1. 전자자울로 탄산칼슘 가루 1 g을 측정한다.
2. 염산은 삼각 플라스크에 넣고 솜으로 플라스크 입구를 막고 질량을 측정한다.
3. 과정 2의 삼각플라스크에 탄산칼슘 1 g을 넣고, 솜으로 막은 후 반응이 충분히 일어나도록 한다.
4. 반응이 모두 끝난 후 삼각플라스크의 질량을 측정한다.
5. 반응 전후 질량 차이를 측정하여 발생한 이산화탄소 양(mol)을 구한다.

 

📌 유의할 점

1. 탄산칼슘은 질량을 정확히 측정하여 남기지 않고 모두 반응시킨다.

2. 묽은 염산이 삼각플라스크 밖으로 튀지 않도록 주의하면서 탄산칼슘을 조금씩 천천히 반응시킨다.

3. 생성된 기포가 완전리 사라지도록 삼각플라스크를 충분히 흔든 후 질량을 잰다.

4. 실험에서 사용한 수용액에는 과량의 염산이 남아있으므로 탄산수소나트륨으로 중화한 후 폐수통에 버린다.

5. 부피는 mL단위 기준 소수 첫째 자리, 질량은 g단위 기준 소수 둘째 자리, 몰 수는 소수 셋째 자리까지 나타내며, 대기압은 1기압으로 가정한다.

 

🧪 탐구 결과

1. 실험 설계를 바탕으로 실험한 결과를 표로 정리하시오.

	1회	2회	3회
탄산칼슘의 질량(g)	1.00	1.00	1.00
염산+삼각플라스크의 질량(g)	131.20	131.30	131.10
반응 전 염산+삼각플라스크+탄산칼슘 질량(g)	132.20	132.30	132.10
반응 후 삼각플라스크 질량(g)	131.72	131.80	131.71
반응 전과 후의 질량 차이(g)	0.48	0.50	0.49

Q. 반응 전과 후에 삼각플라스크의 질량 차가 뜻하는 것은?

🔑 탄산칼슘과 염산의 반응에서 발생한 이산화탄소의 질량

 

2. 실험 결과를 이용하여 반응한 탄산칼슘의 양과 생성된 이산화탄소의 양을 질량과 몰수로 구하시오.

실험		1회	2회	3회
반응한 탄산칼슘	질량(g)	1.00	1.00	1.00
	몰수(mol)	0.010	0.010	0.010
생성된 이산화탄소	질량(g)	0.48	0.50	0.49
	몰수(mol)	0.0101	0.0111	0.0111

 

📢 토의활동

1. 반응한 탄산칼슘과 발생한 이산화탄소의 양(mol)사이에는 어떤 관계가 있는지 몰비를 구한 후, 화학 반응식의 계수비와 비교해 보세요.

🔑 반응한 탄산칼슘의 양은 0.01몰이고, 발생한 이산화 탄소의 양은 0.011몰이다. 탄산칼슘과 이산화탄소의 몰비는 1:1.1이다.
화학반응식에서 탄산칼슘과 이산화탄소의 몰비는 1 :1이다.

 

2. 본 실험에서 생각할 수 있는 오차 원인을 찾아보세요.

🔑 실험과정에서 용기의 내부의 온도가 높아져 수증기가 밖으로 많이 나왔을 것이다.
       발생한 이산화탄소가 반응 후 용액속에 녹아있을 것이다.
       측정 오차가 발생하였을 것이다.