액체와 고체의 밀도 예비리포트

1. 서론

1. 제목

액체와 고체의 밀도

2. 목적

화학에서 사용되는 기본 단위(g, mL, cm 등)를 익히기 위해 질량, 부피 및 길이를 측정하며 실험기구들의 사용 방법을 익힌다. 이 실험에서는 저울을 이용하여 시료의 무게와 액체 및 고체의 부피를 측정하고 측정치를 기본 단위와 함께 표시하는 훈련을 한다. 또한 액체와 고체의 밀도도 측정해 본다.

2. 본론

1. 원리

1. 측정 단위

화학은 실험 과학이다. 그래서 자연에 관한 기본 법칙과 이론 및 물질의 행동은 여러 가지의 양, 즉 질량, 부피, 길이, 온도, 시간, 전기적 성질 등을 정밀하게 측정하면서 정해진다.

미터법 기본 단위계는 10진법을 사용하기 때문에 대단히 편리하다. 표준 단위는 원래 자연의 어떤 특징 성질과 관련되어 있다. 이를테면 미터 단위는 처음에 프랑스 파리를 지나는 자오선을 따라 적도부터 북극까지 거리의 천만분의 일로 정한 것이다. 첫 국제 표준 미터는 파리 부근의 국제 도량형 사무국 지하실에 보관되고 있었던 백금-이리듐 합금으로 만든 원기에 그어진 두 선 사이의 거리로 정하였다. 1960년 새로운 국제 표준이 정해졌는데, 기체 크립톤-86이 내는 특징 주황 적색선인 1,650,763,73 파장을 이용하였다. 이 표준은 미터 원기보다 10배 정도 더 정밀하며, 미터 원기처럼 잃어버릴 염려도 없고 상하지도 않는 잇점을 지니며 재현성이 훌륭하다.

빛의 속도는 관측자의 움직임이나 광원과는 무관하게 모든 관측자에 대해 동일하다. 이러한 범 우주적 성질에서부터 상대성 이론이 나온 것이다. 따라서 빛의 속도는 자연의 상수이며, 시간의 단위와 함께 거리 단위를 정하는데 사용한다. 시간은 원자시계로 매우 정확하게 측정될 수 있고, 또한 빛의 속도도 매우 정확하게 알려져 있으므로 1983년 “1초당 1/299,792,458시간 간격 동안에 진공을 통과한 경로의 길이”인 빛의 속력으로 미터를 다시 정의하였다.

길이의 기본 단위인 미터의 배수와 10분율을 나타내는 기호는 다음과 같다.

1 km = 1킬로미터 = 1000 m

1 dm = 1데시미터 = 0.1 m

1 cm = 1센티미터 = 0.01 m

1 mm = 1밀리미터 = 0.001 m

1 mm =1마이크로미터 = $ 10^{-6} $

1 nm = 1나노미터 = $ 10^{-9} $

$ 1\dot{A} $ = 1옹스트롬 = $ 10^{-8} $ cm = $ 10^{-10} $ m

질량의 단위인 킬로그램(kg)은 처음에는 물 1입방미터($ 1000 cm^{3} $)의 질량으로 정하였다. 지금의 질량 표준은 역시 국제 도량형 사무국에 보관되어 있는 백금-이리듐 원기로 정하고 있다.

흔히 쓰는 킬로그램(kg)의 아래 단위로는 그램(g)과 밀리그램(mg)이 있다.

1 kg = 1000 g

1 g = 1000 mg

질량과 무게라는 술어를 혼돈해서 쓰는 경우가 흔한데, 그들의 정의는 다르다. 질량은 파리에 있는 표준 킬로그램으로 정의하며, 무게는 힘인데 질량에다 중력에 기인한 가속도를 곱한 것과 같다. 화학에서 주로 질량에만 관심이 있으나 물질을 다는 과정은 표준 질량과 미시 질량을 비교하기 때문에 무게를 다는 조작은 실제로 질량을 측정하는 것과 같다고 할 수 있다. 따라서 이러한 이중적인 의미의 술어 때문에 문제가 생기는 경우는 드물다.

부피 단위는 리터(L)이다. 리터는 1데시미터를 세제곱한 유도 단위로 $ (0.1 m)^{3}=10^(-3) m^{3} $)이다. 1데시미터(1 dm = 10 cm) 정육면체의 부피에 해당한다. 화학 실험실에서는 밀리리터(mL)를 가장 흔히 사용한다. 밀리리터는 리터의 천분의 일이다. 최근 밀리리터를 약간 다르게 새롭게 정의하고 있는데, 1 mL =1 $ cm^{3} $이다(여기서 삼중 동등 기호는 “정확히 똑같다”는 의미로 사용한 것이다.)

2. 밀도

중요한 물리 양인 밀도를 측정하려면 두 양, 즉 주어진 물질의 질량 M 부피 V를 측정해야 한다. 물질의 밀도는 단위 부피(1 mL)에 해당하는 물질의 질량을 말하며, $ D=M/V $라고 쓴다. 밀도의 단위는 미터 단위계로 $ g/cm^{3} $로 표시하거나 $ g/mL $으로 나타낸다.

밀도는 온도의 영향을 크게 받는다. 액체와 고체 물질은 온도 변화에 의한 부피 변화가 적으므로 밀도 값에 영향을 덜 받으나 기체는 온도 변화에 의해 부피 변화가 크므로 밀도 값이 크게 달라진다. 일반적으로 액체와 고체의 밀도 값은 기체의 것보다 크다.

밀도를 이해한다는 것은 화학 실험실 밖에서도 중요하다. 이를테면 자동차 서비스 공장에서는 황산 용액의 밀도를 측정하여 축전지의 기능을 검사한다. 포도주 공장에서는 포도즙의 밀도를 측정하여 발효에 적당한 당분을 포도즙의 함유하고 있는지의 여부를 결정한다.

2. 기구 및 시약

1. 기구

100 mL 비커 2개, 50 mL 삼각플라스크 2개, 50 mL 메스실린더 2개, 10 mL 메스실린더 2개, 온도계, 스포이트, 휠라 2개, 코르크 마개 2개, 화학 저울, 유리조각(작은 크기, 각 조당 3개, 고체 시료로 사용할 것)

2. 시약

20% $ NaCl $ 용액 2 L, 에탄올

3. 방법

1. 액체의 밀도 측정

① 에탄올의 밀도 측정
(1) 건조된 삼각 플라스크와 마개의 무게를 정확히 측정한다.
(2) 에탄올 10 mL를 정확히 측정하여 삼각 플라스크에 넣고 마개를 막는다(삼각 플라스크 외부로 시약을 흘리지 말 것).
(3) 액체 시료가 담긴 플라스크의 무게를 측정하여 시료의 무게를 계산한다.
(4) 밀도는 온도에 의해서도 변화하므로 액체의 시료의 온도를 측정하고 밀도를 구한다.
(5) 앞의 과정을 2회 반복하여 실험하고 액체 시료의 밀도의 평균값을 구한다.

② $ NaCl $ 용액의 밀도 측정
(1) 미리 만들어 놓은 20% $ NaCl $ 용액을 15%, 10%, 5%에 농도로 $ NaCl $ 용액 20 mL를 희석하여 각각 만든다.

20%$ NaCl $ 용액 15 mL + 증류수 5 mL → 15% $ NaCl $ 용액 20 mL
20% $ NaCl $ 용액 10 mL + 증류수 10 mL → 10% $ NaCl $ 용액 20 mL
20% $ NaCl $ 용액 5 mL + 증류수 15 mL → 5% $ NaCl $ 용액 20 mL

(2) 20%, 15%, 10%, 5% NaCl 용액을 메스실린더로 각각 10 mL씩 취하여 방법 1 의 ①과 같이 각 용액의 무게를 측정하고, 밀도를 구한다.
(3) 얻은 측정치를 그래프 용지에 $ NaCl $ 용액의 %농도(가로축) 대 밀도(세로축)로 도 시한다.
(4) 미지 농도의 $ NaCl $ 용액을 메스실린더로 10 mL 취한 후 용액의 무게를 측정하 고 밀도를 구한 다음 미지 농도의 $ NaCl $ 용액의 농도를 그래프에서 구해 본다.

2. 고체의 밀도 측정

(1) 고체 시료(유리 5조각)의 무게를 저울로 측정한다.
(2) 메스실린더에 10 mL의 증류수를 넣고 메니스커스의 높이를 정확히 읽는다.
(3) 10 mL의 증류수가 들어 있는 메스실린더에 고체 시료를 조심스럽게 넣고, 늘어 난 메니스커스의 높이를 정확히 읽는다.
(4) 고체의 밀도를 계산한다.