염화칼슘 용해열 측정 실험

화학반응에서 열의 출입

화학반응이 진행될 때는 언제나 열의 출입이 발생하는데, 다시 말해서 열에너지가 흡수되거나 방출이 됩니다. 열을 방출할 때 발열 반응이라고 하고, 열을 흡수할 때 흡열반응이라고 하죠. 이는 생성물의 에너지 합과 반응물의 에너지 합을 비교해 보면 알 수가 있는데요, 간단하게 염화칼슘(CaCl2)이 물에 용해될 때 방출되는 열량을 측정하는 실험을 통해 화학반응에서 열의 출입을 측정하는 방법을 정리해 보겠습니다.

 

CaCl2 용해열 측정 실험

 

간이 열량계 (Coffee cup calorimeter, Simple Calorimeter)

실험에는 간이 열량계가 사용됩니다. 구조 상 단열이 완벽하지 않으므로, 열의 출입을 완전하게 제어할 수가 없기 때문에 정밀한 측정에는 한계가 있지만, 중고등 과정에서 중화열이나 용해열 측정에서 측정 실험을 하는데 많이 사용됩니다.

 

간이 열량계, 단순한 구조라서 단열이 잘 되지 않는다. 이미지 출처: chem.wisc.edu

 

비열, 열용량, 열량에 대한 개념 및 간이열량계와 통열량계를 이용하여 열을 측저하는 방법에 대한 내용은 아래를 참고하면 됩니다.

2023.11.24 - [과학] - 비열, 열용량, 열량의 개념과 열의 측정 방법

비열, 열용량, 열량의 개념과 열의 측정 방법

 

실험 과정

1. 간이 열량계에 증류수 200g을 넣고, 증류수의 온도를 측정합니다. 이 증류수의 온도를 T1이라고 하겠습니다.

 

2. 간이 열량계에 염화칼슘(CaCl2) 10g을 넣은 다음, 젓개로 계속 저어서 완전히 용해를 시킨 다음에 용액의 최고 온도를 측정합니다. 이 온도를 T2라고 하겠습니다.

 

3. 실험 결과를 아래와 같이 정리를 합니다.

측정 항목	T1	T2
온도 (℃)	25	33

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실험 결과 해석

1. 용액의 온도 변화는 염화칼슘을 용해시킨 후 최고 온도에서 증류수의 온도를 빼주면 구할 수 있습니다.

 

ΔT = T2 - T1 = 33 - 25 = 8℃

 

온도가 증가하였으므로 염화칼슘의 용해 반응은 열을 방출하는 발열 반응임을 알 수 있습니다.

 

2. 염화칼슘이 증류수에 용해될 때 방출한 열량 계산

 

이때, 용액의 비열(Specific heat)을 알아야 합니다. 비열이라는 것은 어떠한 물질 1g의 온도를 1℃ 높이기 위해 필요한 열량을 말하며, 정의에 따라 단위는 J/(g-℃)가 사용됩니다. 일반적으로 문제의 지문에 주어지게 되는데요, 용액의 비열을 4.2J/(g-℃)라고 하겠습니다. 그러면 열량은 아래와 같이 비열(c) x 질량(m) x 온도변화(ΔT) 또는 열용량(C) x 온도변화(ΔT)로 구할 수가 있고, 전체 질량은 증류수의 질량 200g과 CaCl2 질량 10g의 합인 210g이 됩니다.

 

염화칼슘이 증류수에 용해될 때 방출한 열량, Q = 용액의 온도가 높아지면서 얻은 열량, Q =

cmΔT = 4.2 J/(g-℃) x 210 g x 8 ℃ = 7056 J

 

따라서, CaCl2 1g이 물에 용해될 때 방출되는 열량(J/g)은 7056J/10g = 705.6J/g이 됩니다.

 

여기서, CaCl2 1몰이 물에 용해될 때 방출되는 열량을 구하기 위해서는 CaCl2의 화학식량이 문제에 주어지게 되는데, Ca=40, Cl=35라고 할 때, 40+70 = 110이 됩니다. 따라서, 아래와 같이 염화칼슘 1몰이 물에 용해될 때 방출되는 용해열은 쉽게 계산이 됩니다.

 

705.6 J/g x 111 g/mol = 78321.6 J/mol

 

3. 만약에 문제에 이론값이 주어진다면, 이론값과 측정값을 통해 계산된 열량과 비교를 하면 됩니다. 다만, 여기서, 일반적인 경우라면 이론값은 측정값으로부터 계산된 열량보다 무조건 크게 되는데, 그 이유는 간이 열량계는 단열(insulation)에 한계가 있기 때문에, 화학반응으로부터 발생된 열이 온전하게 용액의 온도를 높이는 데 사용되지 않고, 열량계의 온도를 높이게 되거나, 열량계의 외부로 빠져나가게 되기 때문입니다. 그래서 간혹, 화학반응에서 흡수되거나 방출되는 열은 전체가 간이 열량계 속에 있는 용액의 온도 변화에만 작용한다는 가정이 등장하기도 함을 기억하면 되겠습니다.