실험 개요
용액의 어는점이 순용매보다 낮아지는 현상은 라울의 법칙에서 도출되는 총괄성(colligative property)의 대표 예다. 학부 실험에서는 나프탈렌·캠퍼·시클로헥산 같은 유기 용매에 미지 시료를 녹여 어는점 강하 ΔTf를 측정하고, ΔTf = Kf · m으로부터 시료의 분자량을 산출한다.
이론 배경
총괄성과 라울의 법칙
비휘발성 용질이 녹으면 용매의 화학퍼텐셜이 감소해 액체–고체 평형 온도가 낮아진다. ΔTf = Kf · m · i, m: 몰랄농도, i: van't Hoff 인자.
냉각곡선
순용매는 어는점에서 평탄한 plateau를 보이지만, 용액은 어는 동안 농도가 증가해 plateau가 기울어진다. 어는점은 냉각곡선의 외삽 교차점에서 결정.
과냉각
결정 핵 형성이 늦어 어는점 아래로 내려갔다가 결정화 시 다시 상승하는 현상. 외삽 그래프에서 보정해야 한다.
실험 장치 및 시약
- — 이중관 어는점 측정기 또는 냉각수조
- — 디지털 온도계(±0.01°C)
- — 용매(시클로헥산 등), 미지 시료
- — 스톱워치, 자석교반기
실험 절차
- 1.순용매 약 15 g을 정확히 칭량해 어는점 측정기에 넣는다.
- 2.교반하면서 30초마다 온도를 기록해 냉각곡선을 작성한다.
- 3.미지 시료 0.5~1 g을 가하고 동일 절차를 반복한다.
- 4.ΔTf를 두 곡선의 어는점 차이로 결정한다.
데이터 처리
냉각곡선의 평탄부 또는 외삽 교차점에서 어는점을 결정한다. ΔTf = Kf · m에서 m을 구하고, 시료 질량과 용매 질량으로부터 분자량 M = (W_시료 × 1000 × Kf)/(W_용매 × ΔTf).
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
라울의 법칙 → 화학퍼텐셜 → 어는점 강하 식의 유도를 한 번 적어두면 시험에도 도움된다.
예상 결과
사용 용매의 Kf와 시료의 추정 분자량을 미리 적어 ΔTf가 측정 가능 범위인지 확인한다.
자주 하는 실수
- — 과냉각 보정을 하지 않고 최저점을 어는점으로 사용하는 것
- — 휘발성 시료를 사용해 농도가 시간에 따라 변하는 것
- — 전해질 시료에 i = 1을 적용하는 것
자주 묻는 질문
Q. 왜 묽은 용액에서만 ΔTf = Kf · m이 정확한가요?
이 식은 라울의 법칙이 성립하는 묽은 영역에서 유도됩니다. 진한 용액에서는 활동도계수 보정이 필요하며, 보통 m < 0.1 mol/kg에서 5% 이내 오차로 직선 관계가 성립합니다.
Q. Kf가 큰 용매가 분자량 측정에 유리한 이유는?
같은 농도에서 ΔTf가 커져 측정 정밀도가 향상되기 때문입니다. 캠퍼(Kf = 39.7)는 물(Kf = 1.86)보다 분자량 측정에 21배 더 민감합니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Atkins, P., de Paula, J., Keeler, J. — Physical Chemistry, 11th ed., Oxford University Press, 2018
- [2]Harris, D.C. — Quantitative Chemical Analysis, 10th ed., Freeman, 2020