아보가드로 수의 결정
♦ 실험일자 :
♦ 실험목표 : 물 위에 생기는 기름막을 이용해서 몰(mole)을 정의하는 데 필요한 아보가드로 수를
결정한다.
♦ Key word : 몰질량, 아보가드로 수, 몰, 극성분자, 무극성 분자
질량수가 12인 탄소 12g에 들어있는 탄소 원자의 수를 아보가드로 수(Avogadro's number, NA=6.02x1023)라고 하며, 아보가드로 수 만큼에 해당하는 원자나 분자를 1몰(mole)이라고 한다. 이것은 마치 달걀 12개를 1다스라고 부르는 것과 마찬가지이다. 아보가드로 수는 탄소 원자 1몰이 차지하는 부피(Vm)와 탄소 원자 하나가 차지하는 부피(V1)를 알면 구할 수 있다.
N(a) = V(m)/V(1)
우선 지구상에 존재하는 탄소는 몇가지 동위원소가 섞여있기 때문에 1몰의 평균질량은 12.011g이고, 탄소원자가 촘촘히 쌓여서 만들어진 다이아몬드의 밀도(3.51g/cm3)를 이용하면 탄소원자 1몰이 차지하는 부피(Vm)를 쉽게 계산할 수 있다. 탄소 원자 하나의 부피를 정확하게 알아내는 것은 쉽지 않지만, 기름처럼 물에 섞이지 않는 탄소 화합물을 이용하면 간단하게 짐작할 수 있다.
물은 전자를 잘 잡아당기는 산소 한 개에 두 개의 수소가 104.5〫 의 각도를 이루며 결합되어 있어서 전기 쌍극자의 성질을 갖고 있는 극성 분자이다. 액체 상태에서 물 분자의 이런 극성은 전하를 가진 양이온과 음이온은 물론이고 다른 극성 분자를 안정화시켜서 잘 녹게 만들어준다. 소금이 물에 잘 녹는 것도 물의 이런 특성 때문이다. 그러나 전기쌍극자의 성질을 갖지 않는 벤젠이나 헥세인과 같은 무극성 분자들은 물과 잘 섞이지 않는다.
스테아르산(stearic acid, CH3(CH2)16COOH)은 무극성을 나타내는 긴 탄화수소 사슬의 끝에 극성을 나타내는 카복실기가 붙어있다. 이를 물 위에 떨어뜨리면 극성을 가진 카복실기는 물과 잘 달라붙지만 무극성의 탄화수소 사슬은 물과 잘 접촉하지 않은려는 경향이 있다. 그래서 물위에 스테아르산을 충분히 떨어뜨리면 카복실기가 물 쪽으로 향하고 무극성의 탄화수소 사슬이 물 층 위로 서있는 단분자층의 막이 형성되며 이런 막을 단층막(monolayer)이라고 부른다.
일정한 면적을 가진 물 표면 전체에 스테아르산의 단분자층이 만들어지기 위해서 필요한 스테아르산의 부피를 물 표면의 넓이로 나누어주면 스테아르산 분자의 길이를 얻게 된다. 곧은 사슬모양의 스테아르산 분자는 탄소 원자 18개가 쌓여있는 것으로 볼수 있기 때문에 스테아르산의 길이로부터 탄소 원자 하나의 지름을 얻을 수 있고, 그 값을 이용하면 탄소 원자 하나가 차지하는 부피(V1)도 얻을 수 있다.
♦ 실험기구 및 시약
눈금실린더(10mL) , 증류수
비이커 250mL 헥세인
유리 모세관 피펫 스테아르산
송화가루
♦ 실험방법
1) 헥세인으로 여러차례 헹군 피펫에 헥세인을 충분히 채운다.
2) 피펫을 똑바로 세운 상태에서 눈금실린더에 헥세인 용액을 반쯤 채우고 눈금을 읽는다.
헥세인을 한방울씩 떨어뜨려 부피가 1mL가 되도록 한다. 만약 1mL의 방울 수가 100이하이면
구멍이 더 작은 피펫으로 바꾸어야한다. 피펫을 기울이면 방울의 부피가 달라지기 때문에 똑바로
세워야한다.
3) 비커에 물을 채우고 수면이 잔잔해질 때까지 기다린다.
4) 작은 약숟가락으로 송화가루를 조금 떠서 물통의 가운데 부분에 조심스럽게 뿌려준다.
송화가루가 물통의 벽에 닿지 않아야하고, 물통에 원형으로 퍼지도록 해야한다.
5) 0.01~0.02g 정도ㅢ 스테이르산을 헥세인 100mL에 녹인 용액을 피펫에 넣어서 한방울을 송화가루
가 퍼져있는 한가운데에 떨어뜨린다. 스테아르산이 퍼지면서 생기는 원형 기름막의 경계면을 쉽게
구별할 수 있을 것이다
6) 원형으로 퍼진 단분자층의 직경을 측정한다. 원형이 아닌 경우에는 대각선 방향의 길이를 여러번
측정해서 평균값을 얻는다.
♦ 실험결과
♦ 분석 및 토의
