[화학 실험] 간단한 화학실험

이번에 세종과학실험토론캠프에서 다양한 화학실험을 접할 수 있었습니다.

다양한 실험방법을 소개해드릴테니, 직접 해보시는 것도 좋을 듯하네요.
 
실험 1 - 물질의 상변화와 에너지 이동
 
1) 실험목표
 
물질의 상태는 크게 고체, 액체, 기체 세가지로 나뉘며 이러한 상태변화는 에너지의 이동을 수반한다. 화학물질의 상태변화뿐만 아니라 화학반응 시에도 발열반응 혹은 흡열반응이 일어나게 되며 주변 환경과 에너지의 교환이 일어나게 된다. 에너지 교환은 에너지의 평형이 일어날 때 까지 지속적으로 이루어진다. 이러한 발열반응 혹은 흡열반응은 오래전부터 경험에 의하여 다양한 분야에서 이용되어 왔고, 에너지 교환에 대한 과학적 개념이 정립된 이후, 산업 전반에 걸쳐서 매우 중요하게 고려되고 있다. 간단한 실험을 통하여 물질의 상태변화와 에너지 이동에 대한 개념을 정립하고, 실생활에 쓰이는 난로나 냉장고 및 에어컨의 원리를 알아본다.
 
2) 이론적 배경
 
가.물질의 상
 
물질의 상이란 특정 온도 및 압력의 조건에서 우리가 흔히 들어본 고체, 액체, 기체 등의 상태로써 존재하는 것을 의미한다. 간단한 개념이지만, 각 상태의 의미와 변화 과정을 보다 깊이 들여다보면 다양한 물리적, 화학적 현상이 동반되며 이에 대한 이해는 공업 및 산업, 실생활 전반에서 이용하기 위해 필수적이다.물질의 상태는 온도와 압력에 따라 달라진다.
 
나. 분자간의 힘
 
반데르발스 힘에는 쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도쌍극자, 분산력이 있다.쌍극자-쌍극자 힘은 극성분자들 사이에 작용하는 힘이다.이는 정전기적 인력에 기인한다. 이온-쌍극자 힘은 양이온 또는 음이온과 극성분자 사이에 작용하는 힘으로 쿨롱법칙으로 설명된다. 분산력은 원자나 분자에 유도된 순간 쌍극자에 의해 발생한다.다음으로 수소결합은 N-H, O-H, F-H와 같은 전기음성도가 큰 원자와 수소 원자 사이의 힘이다.
 
다. 물질의 용해
 
물질이 액체 상태의 용매에 녹는 현상을 용해라고 한다. 이러한 용해의 원리는 용질과 용매의 분자구조가 비슷하거나 같은 원자단에 있는 경우, 또 전기적 성질이 비슷하면 녹는 정도가 비슷하여 용해가 가능하다. 용해에 대해서 조금 더 미시적 관점에서 볼 경우 용매가 용질 사이의 분자간 인력을 끊거나 약하게 만들고 이를 확산시키는 현상이라 하겠다. 이렇게 용매에 녹는 용질의 양을 용해도라 하고 온도가 증가할 수록 값이 커진다. 용해도는 물질의 고유한 특성이며, 각 물질의 분자간의 힘과 용매의 종류에 따라 매우 다양하다. 일정 온도에서 용질을 용매에 녹이다 보면, 더 이상 녹지 않는 양이 존재하는데, 이를 포화상태에 도달했다고 하며, 물질과 용매의 용해도라고 한다. 더 많은 양의 용질이 첨가될 경우, 석출되는 양이 용해되는 양보다 많아서 더 이상 녹지 않는 것처럼 보이게 된다. 온도를 높여서 포화된 용액을 천천히 식히면 물질은 여전히 용해된 상태로 존재하는데, 매우 불안정하여 작은 충격이나 결정이 첨가되면 과량의 용질이 석출된다.
 
3) 실험재료
 
아세트산나트륨 3수화물 170g, 물 50ml, 질산 암모늄 30g, 수산화바륨 60g
 
4) 실험기구
 
바이알병, 저울, 약수저, 약포지, 비커, 피펫, 핫플레이트, 유리막대, 샬레
 
5) 실험방법
 
◆ 손난로 만들기
 
저울 위에 약포지를 올리고 영점을 맞춘 후, 약수저를 이용하여 물 20ml를 넣는다.
메스실린더를 이용하여 물 25ml를 정량하고 비커에 넣는다.
물중탕으로 하여 60℃ 이상의 온도에서 유리막대로 저으며 녹여준다.
비커의 아세트산나트륨이 다 녹으면 일부를 샬레에 붓는다.
용액이 어느 정도 식으면 다른 샬레에 아세트산나트륨 결정을 몇 개 올리고 천천히 부으며 결정의 모양 및 생성을 관찰한다.
 
◆ 손 냉장고 만들기
 
준비된 바이알 병 혹은 비커에 메스실린더를 이용하여 물 20ml를 넣는다.
저울 위에 약포지를 올리고 영점을 맞춘 후, 약수저를 이용하여 15g의 질산암모늄을 정량하고 빠르게 바이알 병에 넣고 마개를 닫은 뒤 흔들어준다.
온도가 어떻게 되는지 관찰하고, 어느정도 시간이 경과하여 온도가 상온으로 돌아오고 질산암모늄도 완전히 녹았을 경우 수산화바륨 30g을 넣고 잘 섞어준다.
수산화바륨 첨가 후 온도가 어떻게 변화하는지 관찰한다.
비커에 수산화바륨 30g과 질산암모늄 15g을 넣어준 뒤 유리막대를 이용하여 섞어준다.
두꺼운 종이위에 물을 조금 뿌린 뒤 그 위에 비커를 올리고 계속 섞어준다.
비커의 온도가 충분히 내려가면 비커의 온도가 어떻게 되는지와 비커 바닥의 물이 어떻게 되는지 관찰한다.
 
6) 실험결과
 
먼저 손난로 만들기 실험에서는 아세트산나트륨의 결정모양은 바늘 모양의 무색 결정으로, 침상결정이었다. 결정성장을 방해했을 경우, 매우 작은 알갱이의 결정이 형성되었다. 이때, 표면이 매끄럽고 판판한 것을 알 수 있었다. 또한 아세트산나트륨 결정 위에 세게 부었을 경우 결정의 형성이 잘 일어나지 않았고 살살 부었을 때는 잘 생성되었다.
두 번째로 손냉장고 실험에서는 질산암모늄을 물에 넣었을 때 온도가 상온에서 16℃까지 내려갔다. 이는 질산암모늄의 이온화반응이 흡열반응이기 때문이다. 수산화바륨을 첨가하면 온도가 12℃까지 내려갔다. 이는 수산화바륨의 이온화 반응과 질산암모늄의 이온화반응이 모두 흡열반응이기 때문이다. 질산암모늄과 산화바륨을 함께 넣는다면 온도는 더욱 낮아질 것이라고 예상했고, 실제로 23℃도나 감소하였다.
 
2. 실험 2 – 환원포도당과 은거울 반응을 통한 무전해 도금
 
1) 실험목표
 
카보닐 화합물 중에서도 반응성이 큰 알데하이드의 산화-환원성에 대한 알데하이드의 성질을 확인하고, 알데하이드와 은 착화합물의 산화-환원 반응을 생각해본다.
 
2) 이론적 배경
 
가. 알데하이드의 환원성
 
알데하이드기의 작용기 탄소는 높은 산화상태를 가지고 있으며, 작용기에 결합된 탄소 골격의 결합을 끊지 않고서도 산화반응에 의해 수소만을 제거할 수 있기 떄문에 알데하이드는 쉽게 산화된다. 알데하이드는 염기성에서 은착이온이나 구리착이온 같은 약한 산화제에 의해서도 산화된다.금속이온은 환원되면 물에 녹지 않는 금속 은 혹은 산화제일구리가 생기므로 분자 속에 있는 알데하이드의 검출에 이용된다. 알데하이드는 포르밀기를 갖는 화합물로 카르복실산으로 산화되기 쉬워 환원성을 갖는다. 또한 알데하이드가 환원되면 알코올이 된다.
질산은 용액에 암모니아수를 가하면 처음에는 갈색 앙금이 생성되며, 계속하여 암모니아수를 가하면 착이온이 생성되는데 착이온은 물에 잘 녹으므로 투명한 용액이 된다.

포름알데히드 수용액을 포르말린이라 한다. 암모니아성 질산은 용액과 포름알데히드 수용액이 반응하면 시험관 벽에 은이 석출되어 거울처럼 보인다. 이것이 은거울 반응이다.
 
나. 포도당의 환원성
 
포름산(

)은

의 포르밀기를 지니고 있어 환원성이 있으며 포도당은 수용액에서 사슬모양과 두가지의 고리 모양으로 존재하는데 사슬 모양의 구조에

를 지니므로 환원성을 갖는다.
광합성과 호흡 모두 포도당의 환원성을 이용한 생체 내의 반응이다. 산화란 전자를 잃는 것이고 환원이란 전자를 얻는 것이다.
 
다. 톨렌스(Tollens) 시약
 
산화제로써 은을 사용하는 시약은 발명가의 이름을 따 Tollens 시약이라 불린다.이 시약은 질산은 수용액에 암모니아수를 한 방울씩 가하여 침전을 만들고 여기에 다시 암모니아수를 한 방울씩 가하여 침전을 녹여 만든 은-암모니아 착이온을 만들어 염기성에서도 산화은 침전이 생기지 않도록 한 것이다. Tollens 시약은 제 2 구리 이온보다 강한 산화제이기 때문에 지방족 알데하이드 뿐만 아니라 방향족 알데하이드도 산화시킬 수 있다.
 
라. 착이온의 형성
 
착이온이란 금속이온에 극성이 강하고, 비공유전자쌍을 가지고 있는 분자 또는 음이온이 금속이온의 빈 전자 궤도함수에 전자쌍을 제공하면서 배위결합하여 생성된 안정한 이온으로 기하학적 구조를 이룬다. 금속이온은 주로 전이금속 이온이며, 이때 배위되는 분자나 이온을 배위자(ligand)라 하며, 그 수를 배위수라 한다.
 
2) 실험재료
 
작은 병, 스포이트, 비커, 질산은(

), 수산화칼륨(

), 포도당, 진한 암모니아수
 
3) 실험방법
 
바이알 병에 0.1 M 질산은 용액 10 ml를 넣은 다음 스포이트로 3-4방울 떨어뜨린다.
갈색 앙금이 생성되면, 이 앙금이 사라질 때까지 병을 살짝 흔들어준다. 이 용액을 Tollens 시약이라 한다.
바이알에 1 M 농도 수산화칼륨 용액 5 ml 정도를 넣는다.
이 병에 0.5 M 포도당 용액 2 ml 정도를 넣는다.
병의 뚜겅을 닫고 흔들어주면 은으로 된 막이 생성된다.
 
4) 실험결과
 
질산은 수용액에 암모니아수를 조금씩 떨어뜨렸을 때 갈색 앙금이 생성되었다. 이는 다음 반응의 결과이다.

묽은 암모니아수를 계속해서 넣어주게 되면 다음 반응이 일어난다.

로 착이온이 형성되면서 더 진한 갈색이 된다. 포도당 수용액을 넣게 되면 바이알의 표면에 은이 흡착되었다. 이는 포도당의 산화가 일어났고 착이온이 환원되었기 때문이다. 산화환원 반응식은 다음과 같다.

 
3. 실험 3 – 탄화수소 중합체의 다리 결합도에 따른 물성 변화
 
1) 실험 목표
 
실험을 통해 고분자의 종류와 고분자의 생성, 고분자의 결합종류 등 전반적으로 고분자에 대해 알아보고 이를 통해 실생활에 사용되는 고분자를 직접 만들어 본다.
 
2) 이론적 배경
 
가. 고분자란?
 
고분자는 크게 단백질, 천연고무와 같은 천연 고분자와 합성 섬유, 합성 수지와 같은 합성 고분자로 나뉘며, 현대 사회는 고분자의 시대라고 할 수 있을 정도로 우리의 일상 생활 속에서 고분자가 다양하게 사용되고 있다. 고분자는 흔히 ‘플라스틱’이라는 용어와 혼용되기도 한다.
일반적으로 10000 이상의 분자량을 가진 분자를 고분자라 한다. 제 2차 세계대전 이후 제품의 범위가 너무 빨리 증가하여 새로운 섬유, 플라스틱, 고무, 접착제, 수지 등의 광법위한 재료들이 발달하게 되었다. 이들 새로운 재료들은 고분자로 만들어졌으며 현대 생활에 많은 변화를 일으켰다. 예를 들면, 합성섬유의복, 폴리스티렌컵, 복합재료로 만든 보트, 실리콘 심장 밸브, 에폭시접착제 등이 있다.
 
나. 고분자의 역사
 
고분자는 아주 오래 전부터 인류 생활에 사용되어 왔다. 천연 고분자인 삼베는 신석기 시대부터 사용되어왔고 비단은 1-2만년 전에 중국에서 사용되었다. 한참 뒤에 케큘레는 천연유기 물질이 특이한 성질을 나타내는 것은 매우 긴 사슬을 가지기 떄문이라고 추정하였다. 그후 1992년,독일의 H.Staudinger에 의해 고분자의 개념이 처음 제시되었다. 스타우딩거의 연구결과가 발표될 당시에는 고분자라는 개념이 없었으므로, 대부분의 학자들이 단지 저분자의 집합체인 콜로이드일 것으로 믿고 있었다. 하지만 스타우딩거는 천연고무가 콜로이드가 아닌 거대분자의 구조를 하고 있을 것이라는 사실을 실험적으로 입증하였다.
 
다. 고분자의 생성
 
고분자는 원료인 monomer가 중합됨으로써 생성된다.단일체의 중합은 메커니즘에 따라 chain polymerization과 step polymerization으로 나눌 수 있다.
단일체란, 고분자로 전환될 수 있는 물질이다. 예를 들어, 에틸렌은 중합반응을 일으켜 폴리에틸렌이 된다.
 
라. 고분자의 결합
 
선형고분자 – 선형고분자는 긴 사슬로 이루어져 있다. 폴리에틸렌이 가장 간단한 형태라고 할 수 있다. 용매에 잘 녹으며 고체상탱서 고무상이나 유연한 물질 또는 열가소성 플라스틱으로 존재한다.
가지고분자 – 가지고분자는 선형고분자에 가지가 붙어있는 구조로서 용매에 잘 녹는다. 매우 가지가 많은 고분자의 경우 특정한 액체에 팽윤되며 완전히 용해되지는 않는다.
가교고분자 – 사슬 사이에 1차 결합이 존재하며 용매에 의해 팽윤되나 용해되지는 않는다. 가교가 많을수록 팽윤은 적어진다.
 
마. 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱
 
고분자 상호간의 인력은 mechanical entanglement와 2차결합에 기인한다. 온도가 상승하면 고분자가 자유롭게 움직일 수 있는데, 고분자가 액체처럼 흐를 수 있게 된다. 이러한 고분자를 열가소성 분자라고 한다.
고분자의 가교는 고분자 사이의 1차 결합에 의해 고분자가 연결되어 그물 모양의 구조를 가지는 것을 말한다. 따라서 온도를 어느 정도 올려도 고분자가 서로 붙들려 있기 때문에 분자의 운동이 자유롭지 못하므로 용융되어 흐를 수 없다. 이를 열경화성 분자라고 한다.
 
바. 탄성
 
탄성이란 용수철이나 고무줄과 같이 물체에 힘을 주었다 놓았을 때 본래의 모양으로 되돌아가려는 성질을 말한다. 가교가 되면 탄성력이 증가하지만 너무 많게 되면 사슬이 너무 뻣뻣해져 탄성을 잃는다.
 
사.PVA의 가교
 
PVA는 하이드로젤을 만드는데 주로 사용되며 붕사의 해리로 형성된

가 PVA와 물리가교하여 열역학적 하이드로젤을 만든다. 가교된 정도에 따라 슬라임이 형성되기도 하고 탱탱볼이 만들어지기도 한다.
 
3) 실험재료
 
PVA 가루, 붕사, 형광색소, 비커, 유리막대
 
4) 실험방법
 
물 10 ml에 붕사가루 2 g을 넣고 잘 녹인다.
붕사를 녹인 물에 PVA 가루 10 g을 잘 넣고 20 ml 정도의 물을 조금씩 넣어주며 유리막대로 PVA 가루가 엉길 때까지 저어준다.
엉김이 생기면 꺼내어 뭉친다.
물기를 제거한다.
 
5) 실험결과
 
아무리 해도 탱탱볼 밖에 만들어지지 않았다. 물의 양을 최대한 늘리고 높은 온도에서 섞어야 슬라임이 만들어지는 것 같다. 탄성의 차이에는 붕사가루, 물의 양, PVA의 양 등이 중요한 것 같다.