어떤 두 순물질도 동일한 물리적 성질 집합을 공유하지 않는다. 각각은 자신만의 끓는점과 밀도를 가지며, 이러한 상수는 화학자들이 매일 참고하는 문헌 표에 목록화되어 있다. 이것이 라벨이 없는 병이 결코 추측으로 확인되지 않는 이유이다: 잘 선택된 한두 가지 물리적 성질을 측정하고 그 결과를 알려진 값과 비교하는 것만으로도 대개 물질의 이름을 알아내기에 충분하다. 동일한 접근법이 품질 관리, 법과학 실험실, 그리고 제조된 화학물질의 순도를 확인하는 데 사용된다.
이 실험을 지탱하는 성질은 두 가지다. 끓는점은 액체의 증기압이 주위의 대기압과 같아지는 온도이며, 액체가 끓는 동안에는 공급된 열이 액체를 데우는 데 쓰이지 않고 상태 변화에 소비되기 때문에 온도가 더 이상 상승하지 않는다. 밀도는 질량을 부피로 나눈 비로, ρ = m/V이다. 밀도는 세기성질이어서 큰 조각과 작은 조각이 같은 값을 가지며, 불규칙한 고체의 경우 아르키메데스의 통찰로 귀속되는 물의 부피 변위를 통해 부피를 측정하는 것이 가장 쉽다.
이 실험실에서 여러분은 네 가지 미지의 물질을 확인하게 됩니다. 두 가지 미지의 액체는 105 °C로 설정된 핫플레이트 위에서 가열되는 동안 온도계가 그 온도를 기록합니다. 각 액체가 도달하는 정체기는 그 액체의 끓는점이며, 그 이름은 그로부터 유추됩니다. 그런 다음 두 가지 미지의 고체는 전자저울에서 무게가 측정되고 물이 가득 찬 넘침 용기에 담그며, 밀려난 물은 눈금 실린더에 수집됩니다. 질량과 부피가 합쳐져 밀도를 제공하고, 밀도가 신원을 알려줍니다.
교육 목표
실험실 환경 익숙해지기
- 습식 실험대의 장비를 찾아 사용한다: 핫플레이트, 만능 스탠드 및 클램프, 마그네틱 교반기, 전자저울, 오버플로 용기 및 회수함.
보호구 착용 및 안전한 실험실 행동 수칙
- 끓는점에 가까운 액체를 다룰 때 적절한 보호구를 착용하고, 사용한 시료는 회수함에 버리십시오.
- 손가락이 물에 닿으면 안 되는 이유는 잠긴 물체만큼 부피가 추가되어 결과가 왜곡되기 때문입니다.
부피와 질량의 측정
- 적절한 메스실린더를 사용하여 액체의 부피를 반월상면에서 측정하십시오.
- 칭량 보트를 사용하여 전자저울 위에서 고체 시료의 무게를 재고, 모든 측정값을 단위와 함께 기록하십시오.
끓는점 측정
- 클램프로 고정한 온도계, 자석 교반봉, 그리고 온도 변화 기록표를 갖춘 가열 장치를 구성하십시오.
- 끓음을 나타내는 온도의 평탄 구간을 파악하고, 거품이 일어나는 현상 자체가 아니라 이 구간을 측정된 끓는점으로 삼아야 한다.
물 치환법을 이용한 밀도 측정
- 가득 찬 넘침 그릇에서 밀어낸 물을 통해 불규칙한 고체의 부피를 측정합니다.
- 측정된 질량과 변위된 부피를 이용하여 밀도 ρ = m/V를 구하십시오.
물리적 성질을 통한 물질의 동정
- 측정된 끓는점 또는 밀도를 기준값과 비교하고 그 확인 과정을 정당화하시오.
- 비교의 한계를 명시하시오: 단일 속성이 후보들을 더 이상 구별하지 못하게 되기까지 두 기준 값이 얼마나 가까워질 수 있는지 밝히시오.
프로토콜
미지 액체 식별
- 50mL 눈금 실린더를 사용하여 미지 액체 1 50mL를 정확하게 측정하십시오.
- 눈금 실린더에 담긴 액체를 A라고 표시된 100mL 비커에 붓는다.
- 눈금 실린더를 헹구세요.
- 알 수 없는 액체 2를 비커 B에 넣고 1단계부터 3단계까지 반복하십시오.
- 비커 A를 왼쪽 열판 위에, 비커 B를 오른쪽 열판 위에 놓으시오.
- 각 비커 안에 자석 교반 바를 넣으십시오.
- 비커 중앙 위쪽에 각각 보편적인 집게를 고정합니다.
- 유니버설 스탠드에 부착된 클램프에 비커를 고정하여 각 비커에 온도계를 넣으십시오.
- 스톱워치를 시작하세요.
- 자기 교반기를 작동시키세요.
- 핫 플레이트의 온도를 105°C로 조절하십시오.
- 결과 테이블에서 온도 변화를 확인하세요.
- 끓는점에 따라 미지액체는 무엇일 수 있을까요?
- 각 비커의 최대 끓는 온도에 도달하면 마그네틱 교반기를 멈추십시오.
- 스톱워치를 멈추세요.
- 핫플레이트 온도를 15°C로 낮추십시오.
- 온도계를 클램프에서 분리하십시오.
- 비커에서 마그네틱 교반기를 제거하십시오.
- 회수통에 비커의 내용물을 비우세요.
미확인 고체의 식별
- 핀셋을 사용하여, 계량접시를 이용해 미지 고체 1을 5조각 저울 위에 올려놓으십시오. 5조각의 총 질량을 기록하십시오.
- 넘침통에 수돗물을 가득 채우세요 (500mL). 넘치는 물은 싱크대로 흘러가도록 하세요.
- 넘침 용기를 카운터 위에 25mL 눈금 실린더 바로 옆에 놓아, 눈금 실린더가 넘침 용기의 넘침 구멍 아래에 위치하도록 하십시오.
- 증류선 안의 고체 1 조각을 넘침 그릇에 조심스럽게 비우십시오. 주의! 결과를 왜곡하지 않도록 손가락이 물에 닿지 않도록 해야 합니다.
- 오버플로우 용기에서 넘친 액체와 눈금 실린더의 액체 표면을 이용하여 고체 1의 부피를 측정하십시오.
- 흐름이 완전히 멈출 때까지 기다리시오.
- 점유한 부피를 기록하십시오. 1단계에서 측정된 샘플 조각의 무게를 알면 밀도를 계산할 수 있습니다.
- 핀셋을 사용하여 오버플로 용기에서 고체 1 조각들을 꺼내 회수통에 버리십시오.
- 25mL 실린더에 담긴 액체를 회수통에 비우십시오.
- 넘침 통에 수돗물을 가득 채우십시오 (500mL). 넘치기 전에 수도꼭지를 켜서 넘치는 물은 싱크대로 흘려보내십시오.
- 넘침 통을 바로 옆에 있는 25mL 눈금 실린더 위에 올려놓으십시오. 눈금 실린더는 넘침 통의 넘침 구멍 아래에 위치해야 합니다.
- 핀셋을 사용하여, 계량 접시를 이용해 미지 고체 2를 5조각 저울 위에 올려놓으십시오. 5조각의 총 무게를 기록하십시오.
- 중량 접시에 담긴 고체 2 조각을 넘침 용기에 조심스럽게 비우세요. 주의! 결과를 왜곡하지 않도록 손이 물에 닿지 않도록 해야 합니다.
- 넘침 용기에서 넘친 액체와 눈금이 새겨진 실린더의 메니스커스를 사용하여 고체 2의 부피를 결정하십시오.
- 점유된 부피를 기록하십시오. 12단계에서 측정한 각 조각의 무게를 바탕으로 밀도를 계산할 수 있습니다.
- 따라서 밀도를 사용하여 두 개의 미지 고체를 식별할 수 있습니다.
예상 결과
A부 — 정체 불명의 액체들. 두 비커 모두 물의 끓는점보다 약간 높은 105 °C로 설정된 가열판 위에서 가열되므로, 각 액체는 결국 더 이상 상승할 수 없는 평형 온도에 도달합니다. 이 평형 온도가 바로 해당 물질의 식별 기준이 됩니다.
| 알 수 없는 액체 | 정체 구간이 관측됨 | 기준 비등점 | 정체성 |
|---|---|---|---|
| #1 | 100 °C | 100 °C | 물, H2O |
| #2 | 78 °C | 78 °C | 에탄올, C2H5오 |
액체는 증기압이 그 위 대기압과 같아질 때 끓기 시작합니다. 그 순간부터 가열판에서 공급되는 열은 온도를 높이는 데 쓰이기보다는 액체를 증기로 변환하는 데 사용되므로, 가열판 온도를 5 °C 더 높여도 온도계의 수치는 더 이상 오르지 않고 — 평탄 구간을 형성하며 — 멈춥니다. 미지 액체 #2는 100 °C보다 훨씬 낮은 78 °C에서 끓기 시작하므로, 이 액체가 가장 먼저 끓기 시작합니다. 어느 비커에서 더 빨리 끓기 시작하는지 관찰하는 것 자체가 증거가 되며, 이후 평탄기 값을 통해 해당 액체의 정체가 확정됩니다.
B부 — 정체 불명의 고체들. 각 고체 시료 5개를 저울에 달아, 용량이 가득 찬(500 mL) 오버플로 용기에 떨어뜨리면, 이 시료들이 밀어낸 물이 25 mL 눈금 실린더로 흘러 들어가, 시료 조각의 부피를 직접 측정할 수 있다.
| 미확인 고체 | 한 개의 질량 | 다섯 조각의 질량 | 배수 부피 | 밀도 ρ = m/V | 정체성(기준 밀도) |
|---|---|---|---|---|---|
| #1 | 2.9 g | 14.5 g | 5.4 mL | ≈ 2.7 g/mL | 탄산칼슘, CaCO3 (2.71 g/mL) |
| #2 | 12.75 g | 63.75 g | 12.2 mL | ≈ 5.2 g/mL | 산화철(III), Fe2O3 (5.24 g/mL) |
기본 관계식은 ρ = m/V입니다. 고체 #1의 경우: ρ = 14.5 g ÷ 5.4 mL = 2.7 g/mL이며, 이는 탄산칼슘의 기준 밀도인 2.71 g/mL와 실린더의 측정 정밀도 범위 내에서 일치합니다. 고체 #2의 경우: ρ = 63.75 g ÷ 12.2 mL = 5.2 g/mL로, 5.24 g/mL인 산화철(III)과 일치합니다. 밀도는 강도적 성질을 가지기 때문에, 5개를 사용해도 1개를 사용했을 때와 동일한 값이 나옵니다. 5개를 사용하는 것은 단순히 질량과 치환된 부피를 모두 충분히 크게 만들어 정확하게 측정할 수 있게 하기 위함입니다.
변위법이 유효한 이유는 물속에 잠긴 고체가 정확히 그 자체의 부피만큼 물을 밀어내기 때문이며, 이것이 바로 아르키메데스의 통찰입니다. 이 방법을 적용하려면 고체가 가라앉아야 하고 본질적으로 물에 녹지 않아야 하는데, 이 두 가지 조건을 모두 충족합니다. 또한 이 방법은 실험 절차에 명시된 손가락 관련 경고의 이유도 설명해 줍니다. 물속에 다른 물체가 들어가면 그 물체의 부피만큼 물이 넘쳐나 측정값이 왜곡되기 때문입니다. 또한, 미지 고체 #2를 첨가한 후 물이 주황색을 띠는 것을 확인할 수 있을 것입니다. 이는 녹의 색소인 미세한 산화철(III) 입자가 물에 부유하기 때문입니다. 색상은 유용한 정성적 단서이지만, 밀도가 결정적인 증거입니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
- 집중 식별자로서의 물리적 성질, 그리고 올바른 단위를 사용한 신중한 측정.
- 활동 부피와 질량을 측정하고, 두 액체가 가열될 때 관찰하여 평탄 구간 온도를 기록하며, 무게를 잰 고체들을 넘침 컵에 넣고 밀려난 부피를 읽고, ρ = m/V로 각 밀도를 계산한 뒤 네 가지 미지수를 기준 값들과 일치시키십시오.
11학년
- 집중 비등과 밀도의 정량적 처리.
- 활동 두 비커의 시간에 따른 온도 그래프를 그리고 상태 변화로 들어가는 에너지의 관점에서 평탄 구간을 설명하고, 왜 열판이 105 °C로 설정되어 있는지 설명하며, 두 밀도 계산 모두에서 올바른 유효숫자 개수를 유지하고, 왜 한 개가 아니라 다섯 개의 조각이 사용되는지 설명하시오.
12학년 / 대학교 수준
- 집중 단일 부동산 식별 및 두 번째 부동산이 필요한 경우.
- 활동 끓점의 압력 의존성 논의: 끓점은 외부 압력에 따라 변하며, 압력이 증가하면 액체를 기화시키는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓점은 높아집니다. 반대로 외부 압력이 낮아지면(예: 고산 지대) 끓점은 낮아집니다. 이 관계는 클라우지우스-클라페이론 방정식으로 설명됩니다. 밀도만으로는 두 후보를 구별할 수 없는 경우의 평가 및 독립적인 확인 테스트 제안: 온도와 압력이 변함에 따라 물질의 밀도가 겹치는 구간이 존재할 수 있으며, 이성질체나 유사한 조성을 가진 물질은 밀도가 거의 동일할 수 있으므로 밀도 단독으로는 물질을 확정할 수 없습니다. 이를 해결하기 위한 독립적인 확인 테스트로는 굴절률 측정, 적외선 분광법(IR) 또는 핵자기共명(NMR) 분광법과 같은 분광학적 분석을 제안합니다. 사용된 특성의 세기 성질(intensive) 또는 크기 성질(extensive) 분류 및 세기 성질만이 물질을 식별하는 이유 정당화: 끓점과 밀도는 물질의 양에 독립적인 '세기 성질(intensive properties)'에 해당하며, 질량과 부피는 물질의 양에 비례하는 '크기 성질(extensive properties)'입니다. 크기 성질은 샘플의 크기에 따라 변하므로 특정 물질을 고유하게 식별할 수 없습니다. 반면 세기 성질은 물질의 고유한 성질을 나타내므로 오직 세기 성질만이 물질을 정확히 식별할 수 있습니다.
실험실 필수품
악기
- 비커 (100 mL)
- 전자저울 및 칭량 보트
- 눈금실린더 (25 mL 및 50 mL)
- 핫플레이트
- 실험실용 스탠드 및 클램프
- 마그네틱 교반기 및 교반 자석
- 넘침 용기 (500 mL)
- 휴지통
- 온도계
- 타이머
- 핀셋
제품
- 미확인 액체 (#1 및 #2)
- 미확인 고체 (#1 및 #2)
- 수돗물