016 – 질량 보존의 법칙

질량 보존의 법칙은 화학 반응에서 물질이 새로 생성되거나 파괴되지 않는다는 법칙이다. 즉, 반응 전에 존재하던 원자들은 반응 후에 존재하는 원자들과 정확히 일치하며, 단지 다른 분자들로 재배열될 뿐이다. 앙투안 로랑 드 라부아저는 1이나 1780년대에 밀폐된 반응 용기의 무게를 측정함으로써 이 원리를 확립했으며, 이것이 모든 화학 반응식이 균형을 이루어야 하는 이유이자 산업 화학자가 공정을 실행하기도 전에 얻어질 생성물의 질량을 예측할 수 있는 이유이다.

법칙을 입증하는 것은 생각보다 어렵습니다. 기체를 방출하는 반응은 열린 용기에서 진행될 때 질량이 줄어드는 것처럼 보이기 때문입니다. 질량이 사라진 것이 아니라 단순히 저울 접시를 떠난 것뿐입니다. 따라서 보존 법칙은 다음의 경우에만 증명될 수 있습니다. 닫힘 가스류를 포함한 모든 생성물이 다른 것들과 함께 보존되고 무게가 측정되는 시스템, 그것이 이 실험실의 핵심 아이디어이다.

당신은 매우 다르게 행동하는 두 가지 반응을 사용하여 그 법칙을 두 번 테스트할 것입니다. 파트 A에서는 탄산수소나트륨이 아세트산과 반응하여 이산화탄소를 방출합니다. 이 기체는 삼각플라스크의 주둥이에 씌운 고무 풍선에 포집되며, 반응이 끝난 후 풍선 목에 있는 집게를 통해 포집된 기체만 따로 무게를 측정할 수 있습니다. 파트 B에서는 염화칼슘과 탄산나트륨 용액을 혼합하여 탄산칼슘의 고체 침전물이 형성됩니다. 비커 밖으로 나갈 수 있는 것이 없으므로 질량 수지가 정확히 맞아떨어집니다. 각 경우에 당신은 반응 전후의 시스템 무게를 측정하고, 총량을 비교하며, 발견된 차이에 대해 설명할 것입니다.

교육 목표

실험실 환경 익숙해지기

• 실험을 시작하기 전에 전자저울, 칭량 보트, 메스실린더, 250 mL 삼각플라스크, 50 mL 비커 두 개, 고무풍선, 나무 집게의 위치를 찾아 확인하고, 어떤 기구가 장치를 밀폐 상태로 만드는지 인식하십시오.

보호 장비 사용

• 1 M 아세트산과 두 가지 소금 용액을 다룰 때는 장갑과 보안경을 착용하고, 풍선이 플라스크에서 분리되지 않도록 하면서 밀폐된 용기 내부에서 압력이 발생하는 반응을 제어하십시오.

밀폐 시스템 구축 및 테스트

• 플라스크, 풍선, 그리고 클램프를 사용하여 기밀 반응 용기를 조립하고, 열린 플라스크에서 동일한 반응을 진행할 때 질량 보존의 법칙을 위반하는 것처럼 보이는 이유를 설명하시오.
• 기체 생성물의 질량을 직접 측정하기 위해 풍선과 그 안에 갇힌 기체의 무게를 각각 따로 재어라.

정량 칭량법

• 영점 조절(tare) 기능을 올바르게 사용하여 칭량 접시가 가루의 측정 질량에 전혀 영향을 미치지 않도록 하고, 저울이 나타내는 전체 정밀도(0.01g)까지 모든 질량을 기록하십시오.
• 집게, 플라스크, 풍선, 반응물, 그리고 내부의 공기 모두가 전체의 일부를 구성함을 이해하면서, 완전한 시스템을 하나의 물체로 무게를 재십시오.

화학량론과 한계 반응물

• 부피와 농도로부터 몰수를 계산하고, 두 반응물 중 어느 것이 먼저 소모되는지 파악하며, 반응이 생성할 수 있는 기체나 침전물의 질량을 예측합니다.

질량 수지 해석

• 측정된 질량 차이를 장비의 정밀도와 비교하여, 불일치가 진정한 물질의 손실을 나타내는지 아니면 측정값의 통상적인 산포인지를 결정합니다.

프로토콜

파트 A: 탄산수소나트륨과 아세트산의 반응

1. 고무풍선을 저울로 무게를 재세요.
2. 칭량 접시를 사용하여 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 약 2.2 g을 재십시오.₃).
3. 고무 풍선에 칭량된 분말을 넣으시오.
4. 나무 클램프를 플라스크 바닥에 부착하십시오.
5. 아세트산(CH3COOH) 25mL를 측정하십시오₃(COOH) 1M 용액을 눈금 실린더를 사용하여 측정하여 삼각 플라스크에 붓습니다.
6. Erlenmeyer 플라스크 입구에 고체를 액체에 떨어뜨리지 않도록 주의하며 풍선을 부착하십시오.
7. 반응 전에 시스템(풍선, 클램프, Erlenmeyer 플라스크 및 두 반응물)의 무게를 측정하세요. 질량은 결과 표에서 확인할 수 있습니다.
8. 풍선에서 클립을 분리하세요.
9. 유리봉을 풍선에 눌러서, 고체를 플라스크 안으로 떨어뜨리세요.
10. Erlenmeyer 플라스크를 좌우로 흔들어 용액이 완전히 녹을 때까지 부드럽게 흔들어 주세요.
11. 풍선의 밑면에 클램프를 부착하십시오.
12. 반응이 완료되면 시스템의 무게를 다시 측정하십시오. 질량은 결과 표에서 찾을 수 있습니다.
13. Erlenmeyer 플라스크에서 풍선을 분리하고 클램프는 풍선 바닥에 그대로 부착된 상태로 유지하십시오.
14. 붙어있는 클립을 부착한 풍선을 저울에 올려 무게를 측정하십시오.

파트 B: 염화 칼슘과 탄산 이나트륨의 반응

1. 1M 염화칼슘(CaCl) 15mL를 측정하시오₂) 눈금 실린더로 용액 만들기.
2. 용액을 50mL 비커 1에 붓습니다.
3. 비커 1을 저울에 올려 무게를 측정하라.
4. 1M 탄산나트륨(Na2CO) 15mL를 측정하세요.₃) 졸업 실린더를 이용한 용액.
5. 용액을 2번 50mL 비커에 따르시오.
6. 비커 2를 저울에 올려 무게를 측정하시오.
7. 비커 1의 내용물을 비커 2에 부으시오.
8. 비커 2의 내용물을 유리 막대로 저어주세요.
9. 반응 후 비커 2의 무게를 측정하고 결과표에 질량을 기록하십시오.

예상 결과

파트 A — 밀폐된 플라스크 안의 탄산수소나트륨과 아세트산

프로토콜 단계	무게가 측정되는 것은 무엇인가요	질량 (g)
1	빈 고무 풍선	7.50
2	영점 조절 전, 저울용 보트 단독 무게 측정	0.50
2	영점 조절 후칭량용 보트 무게 재기	0.00
2	측정된 탄산수소나트륨	2.20
7	반응 전 전체 시스템 (플라스크, 클램프, 풍선, 두 반응물 모두)	237.09
12	반응 후 전체 시스템	237.12
14	풍선 + 클램프 + 갇힌 이산화탄소	9.14

이 반응은 이산화탄소, 물, 아세트산나트륨을 생성하는 산-탄산염 반응입니다.

탄산수소나트륨₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

두 Reactant(반응물) 모두 비슷한 양으로 존재하므로, 생성물의 질량을 예측하기 전에 한계 반응물을 먼저 확인해야 합니다. 산의 경우, n = c × V = 1.00 mol/L × 0.0250 L = 0.0250 mol입니다. 중탄산염의 경우, n = m / M = 2.20 g ÷ 84.01 g/mol = 0.0262 mol입니다. 아세트산이 먼저 소모되므로, 이것이 반응의 진행 정도를 결정합니다: 0.0250 mol의 CO₂ 생성되며, 질량은 $m = n \times M = 0.0250\text{ mol} \times 44.01\text{ g/mol} = 1.10\text{ g}$이다. 약 0.0012 mol (0.10 g)의 탄산수소나트륨이 플라스크 바닥에 반응하지 않고 남아 있다.

14단계에서는 해당 가스를 분리합니다. 최종 측정값에서 풍선과 클램프의 무게를 빼면, 9.14 g − 7.50 g − 0.45 g = 1.19 g의 가스가 풍선에 남아 있는데, 이는 화학량론적으로 예상되는 1.10 g과 비교됩니다. 두 수치는 약 8 % 이내에서 일치합니다. 중요한 점은 237.09 g과 237.12 g의 비교입니다. 만약 같은 반응을 개방된 플라스크에서 진행했다면, 약 1.10 g이 누출되었을 것이며, 저울 측정 결과 총량의 약 0.47 %가 손실된 것으로 나타났을 것입니다. 이는 미미한 수치이긴 하지만, 밀폐된 조건에서 측정된 0.03 g의 편차보다 훨씬 크며, 법칙 위반으로 오인되기 쉽습니다.

파트 B — 열린 비커에서의 염화 칼슘과 탄산 나트륨

프로토콜 단계	무게가 측정되는 것은 무엇인가요	질량 (g)	내용물만 (g)
3	비커 1 + 15 mL CaCl2 1M	91.25	16.25
6	비커 2 + 15 mL Na2씨오3 1M	91.59	16.59
—	혼합하기 전 두 콘텐츠 세트의 합	—	32.84
9	침전물이 생기며 섞인 후의 비커 2	107.84	32.84

이것은 탄산칼슘의 매우 낮은 용해도에 의해 일어나는 복분해(침전) 반응입니다:

CaCl₂₂(aq) + Na₂씨오₃(수용액) → 탄산칼슘₃(s) + 2 NaCl(aq)

동일한 농도의 동일한 부피가 사용되므로, 두 반응물은 반응식이 요구하는 정확히 1:1 비율로 공급됩니다: n = 1.00 mol/L × 0.0150 L = 각각 0.0150 mol. 어느 쪽도 초과되지 않았으며, 반응은 원칙적으로 완결될 수 있습니다. 생성된 침전물은 m = n × M = 0.0150 mol × 100.09 g/mol = 1.50 g의 CaCO₃입니다.₃, 상층액에는 0.0300 mol의 NaCl(1.75 g)이 녹은 채 남았다. 용액들이 섞이는 순간 하얗고 혼탁한 현탁액이 나타나고, 교반을 멈추면 고운 백색 고체로 가라앉는다.

눈에 보이는 변화는 극적입니다. 두 개의 맑은 액체가 하얗고 걸쭉한 혼합물로 변하지만, 비커까지 고려하면 저울의 눈금은 전혀 움직이지 않습니다. 바로 이것이 핵심입니다. 상태의 변화와 화학적 정체성의 변화는 질량의 변화가 아니라는 것입니다. 내용물을 부피로 나누면 두 스톡 용액의 밀도도 얻을 수 있습니다. 염화칼슘의 경우 16.25 g ÷ 15.0 mL = 1.08 g/mL, 탄산나트륨의 경우 16.59 g ÷ 15.0 mL = 1.11 g/mL이며, 두 용액 모두 1 M 염 용액에서 예상되는 대로 순수한 물보다 더 밀도가 높습니다.

학년별 과제 요약

9~10학년

• 집중 화학적 변화가 질량을 변화시키지 않으면서 겉모습을 변화시킨다는 것을 관찰하고, 그와 관련된 어휘(반응물, 생성물, 침전물, 밀폐계, 보존)를 학습하는 것.
• 활동 — 두 부분을 모두 수행하고, 결과 표에 7개의 A 파트 질량과 3개의 B 파트 질량을 모두 기록하고, 반응 순간 목격되는 현상(A 파트에서는 거품이 생기고 풍선이 부풀어 오름, B 파트에서는 흰색 구름)을 설명하고, 질량이 변했는지 여부를 한 문장으로 진술하십시오. 유도된 질문에 답하십시오: 풍선이 없었다면 이산화탄소는 어디로 갔겠습니까?

11학년

• 집중 — 정성적 비교가 아닌, 균형 화학 반응식과 몰(mole) 기반의 예측을 통해 실험을 정량적으로 다룸.
• 활동 — 양쪽 화학 반응식을 균형을 맞추고; 1 M 아세트산 25 mL와 NaHCO 2.20 g을 변환하십시오₃ 몰 수로 환산하고 한계 반응물을 확인하세요; CO의 질량을 예측하세요₂ 그리고 14단계에서 풍선 안에서 측정한 1.19 g과 비교하고, 1.50 g의 탄산칼슘(CaCO₃)을 예측하시오.₃ Part B에서 형성된; 91.25 + 91.59 − 75.00 = 107.84 g임을 산술적으로 보여주고 비커 질량 하나를 빼야 하는 이유를 설명하시오.

12학년 / 대학교 수준

• 집중 — 오류 분석, 그리고 불일치를 무시하는 대신 해석하는 것.
• 활동 — 두 질량 수지를 백분율 차이로 각각 표현하고 저울의 분해능과 비교합니다; 포획된 가스가 화학양론적 최댓값을 0.09 g 초과하는 원인을 설명하기 위해 실온에서 포화된 가스 부피가 운반할 수 있는 수증기의 양을 추정합니다; 이상기체 법칙을 사용하여 n = 0.0250 mol일 때 101 kPa 및 22 °C에서 풍선이 도달해야 하는 부피를 예측합니다; CO를 논의합니다₂/H₂씨오₃/HCO₃⁻ 평형과 용액 내에 잔류할 수 있는 탄소의 양; 그리고 무엇이 개선되는지 설명하면서, 방어 가능한 기밀 밀폐를 제공할 파트 A의 수정안을 설계하십시오.

실험실 필수품

악기

• 전자저울(0.01g까지 읽을 수 있고, 용기 무게 제거 기능이 있는 것)
• 칭량 보트 (0.5 g)
• 주걱
• 고무 풍선 (7.5 g)
• 나무 집게 (0.45 g)
• 유리봉
• 250 mL 삼각플라스크 (200 g)
• 2 × 50 mL 비커 (각 75 g)
• 25mL 눈금 실린더

제품

• 탄산수소나트륨 NaHCO₃ (파우더, 2.2 g)
• 아세트산 CH₃COOH 1 M (용액 25 mL)
• 염화 칼슘 CaCl₂ 1 M (용액 15 mL)
• 탄산나트륨 Na₂씨오₃ 1 M (용액 15 mL)