#0. 물의 부피와 질량측정을 이용한 실험 기기의 정밀도 측정

1. 실험 목적 : 실험실에서 자주 사용하는 여러 가지 실험기구의 사용법을 익히고 실험을 진행하면서 얻은 결과를 이론과 비교하여 실험기구의 특징을 확인하고 실험상황과 방법에 따라 사용할 실험기구를 선택하는 방법에 대해 배운다.

 

2. 시약 및 실험기구 : 증류수

시약명	화학식	몰질량(g/mol)	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/mL)
물(증류수)	H2O	18.015	0	100	0.997

 

3. 실험도구 : 0.001g 전자저울, 피펫, 피펫필러, 눈금실린더, 50mL 비커, 100mL 비커, 스탠드, 뷰렛클램프, 뷰렛

 

4.이론

 

1) 밀도는 ‘질량/부피’로 ‘단위 부피당 질량’으로 정의되고 있다. 온도에 따른 물의 밀도는 이미 널리 알려져 있기에 이를 참고한다. 밀도를 아는 상황에서 우리가 정밀도를 확인하고자 하는 실험 기기로 물의 일정 부피를 측정해 이의 질량을 측정함으로써 공식에 대입해 측정한 부피와 비교해 오차를 확인하며 실험 기기의 정밀도를 확인한다.

 

2) 물을 옮겨 담을 비커의 질량을 미리 측정하여 측정한 일정 부피의 물을 옮겨 담고 기존 비커의 질량과 차를 구해 물의 질량을 측정한다.

 

3) 저울의 사용법

저울의 전원을 연결한 뒤 저울의 수평이 맞는지 확인하고 맞지 않으면 맞추어 주기. 전원을 켜준다. 시약의 종류에 따라 주의하여 측정을 진행한다. 저울은 문을 열어두면 공기에 의해 오차가 발생하니 주의한다.

 

4) 뷰렛의 사용법

코크가 닫혀있는지 확인하고 닫혀있는 상태에서 사용하는 용매로 washing을 한다. (이때 깔때기나 비커, 피펫을 이용한다.) 코크를 열어서 washing 후 다시 닫은 상태에서 용매를 넣어준다. (이때 용액을 채워주고 나면 코크가 닫혀있어 공기층이 남게 된다.) 뷰렛클램프에 뷰렛을 고정하고 비커를 받혀 놓고 코크를 열어 공기층을 제거한다. 코크를 열어 측정하면서 눈금의 눈과 본인의 눈을 수평을 맞춰 눈금을 읽어준다.

 

5) 피펫의 사용법

먼저 슬라이드식 피펫필러를 피펫에 연결해주고 피펫필러를 이용해 용액을 담는다. 용액이 피펫에 올라오는 것을 확인하고 피펫필러를 이용해 원하는 곳에 용액을 옮긴다. 사용이 끝나고 나서는 피펫필러를 분리한다.

 

6) 눈금실린더 사용방법

-눈금실린더는 용량에 따라 종류가 매우 다양하므로 측정하고자하는 대상에 따라 눈금실린더를 선택하고 측정하고자 하는 액체를 담은 뒤 액체가 차오른 곳에 눈높이를 맞추고 메니스커스 보정법을 활용에 눈금을 어림잡아 읽으면 된다.

 

7) 실험 기기는 각각이 고유한 표준오차(불확정도)가 존재한다. 이는 기기의 보정이 잘못되었거나, 조작이 미숙하거나 눈금오차 등의 실험의 한계에서 비롯된다. 이를 줄이는데 실험 횟수를 늘리는 것을 비롯해 메니스커스 보정법을 이용하도록 한다. 용액과 유리관 사이의 표면장력에 의해 유리관 양옆의 수면의 높이가 다르게 보인다. (수소결합을 하는 물의 경우 유리관과 같이 극성을 띄기에 표면장력에 의해 유리관 양옆의 수면의 높이가 올라가 있어 가운데 오목하게 들어가 있는데 이때의 높이를 읽어야 한다. 반면 수은의 경우 극성을 띄지 않아 오히려 유리관 양옆이 내려가면서 가운데 오목하게 솟은 형상을 띄고 있어 이의 눈금을 읽어야 한다,)

 

8) 실험기구 각각의 용도

비커는 액체를 담거나 옮길 때 사용한다. (입구에 튀어나온 부분은 내용물을 따르기 쉽게 하기 위해 있다.)

눈금실린더는 액체의 부피를 어림으로 측정할 때 사용한다.

뷰렛은 액체를 옮기는 데 사용되며 주로 적정을 하게 될 때 이용된다.

피펫은 정확한 양의 액체를 취해 다른 용기에 옮기는 데 사용된다. 뷰렛과 피펫은 높은 정밀도를 가져 정밀한 부피를 측정하는데 이용한다.

이외에도 참고로 부피 플라스크는 특정 부피, 농도의 용액을 만들 때 사용한다.

 

5. 실험방법

 

1. 실험을 하는 실험실의 온도를 측정한다.

2. 100mL 비커 3개의 질량을 저울을 사용법에 유의하며 이용하여 각각 측정해 기록해둔다.

3. 50mL 비커에 세척병 등을 이용해 증류수를 10mL를 담는다. (이때 눈금에 눈높이를 맞추는 메니스커스 보정법에 유의해야 한다.)

4. 50mL 비커를 통해 담은 10mL의 증류수를 미리 질량을 측정해 둔 100mL 비커에 옮겨 담고 그대로 질량을 측정하고 기록해둔다.

5. 눈금실린더에 세척통 등을 이용해 증류수를 10mL 측정하여 담고 이를 100mL 비커에 옮겨 담아 저울에 질량을 측정한다.

6. 증류수를 이용하여 뷰렛의 washing 과정을 거치고 뷰렛클램프에 고정시킨 뒤 공기층을 제거하고 증류수를 내려보내기 7. 전 눈금에 주의한다. 뷰렛을 이용하여 10mL의 증류수를 측정하여 100mL 비커에 옮긴다. 3에서와 마찬가지로 질량을 측정해 기록해둔다.

8. 피펫필러를 끼우고 피펫을 돌려 증류수 10mL를 측정해 담은 뒤 100mL 비커에 옮겨 담고 저울에 질량을 측정한다.

9. 4, 5, 6, 7단계에서 측정한 질량에서 비커의 질량을 빼주어 증류수의 질량을 구한다.

위의 과정을 3차례 반복한다.

10. 온도에 따른 물의 밀도에 관한 Table을 참조하여 앞서 실험에서 구한 증류수의 질량을 실험실 온도에 해당하는 밀도로 나누어주어 부피를 구한다.

11. 각각의 측정에서 구한 부피를 이론값인 10mL와 비교하며 오차율을 구한다.

 

6. 관찰

 

100mL 비커 질량 측정	50mL 비커 10mL 증류수 측정
전자 저울을 이용하여 100mL 비커의 질량을 미리 측정하였다.	세척통에 증류수를 담고 50mL로 10mL의 증류수를 측정하여 담았다.

 

비커의 10mL 증류수 질량 측정	뷰렛의 10mL 증류수 측정
앞서 50mL 비커로 측정한 10mL의 증류수를 100mL 비커에 옮겨(100mL 비커의 질량+50mL 비커로 측정한 10mL 증류수의 질량)을 측정하였다.	뷰렛을 뷰렛파인더에 고정하고 눈금에 눈높이를 맞추고 눈금을 읽어 10mL의 증류수를 측정해 비커에 받았다.

 

뷰렛의 10mL 증류수 질량 측정	피펫의 10mL 증류수 측정
뷰렛으로 측정한 증류수 10mL를 100mL 비커에 옮기고 (100mL 비커의 질량+뷰렛으로 측정한 10mL 증류수의 질량)을 측정하였다.	피펫필러를 피펫에 연결하고 증류수 10mL를 측정하였다.

 

피펫의 10mL 증류수 질량 측정	눈금실린더 10mL 증류수 측정
피펫으로 측정한 증류수 10mL를 100mL 비커에 옮기고 (100mL 비커의 질량+피펫으로 측정한 10mL 증류수의 질량)을 측정하였다.	눈금실린더의 눈금에 눈높이를 맞추고 눈금을 읽어 10mL의 증류수를 측정하였다.

 

눈금실린더 10mL 증류수 질량 측정

눈금실린더로 측정한 증류수 10mL를 100mL 비커에 옮기고 (100mL 비커의 질량+눈금실린더로 측정한 10mL 증류수의 질량)을 측정하였다.

 

7. 결과

질량(g)	50mL 비커(mL)	10mL 피펫(mL)	10mL 눈금실린더(mL)	50mL 뷰렛(mL)
1회	18.139	9.978	9.713	9.983
2회	16.149	9.881	9.715	10.008
3회	18.712	9.929	9.784	10.068
평균	17.666	9.929	9.737	10.019

실험실 온도(℃): 15.8℃ (반올림하여 16℃로 취급)

실험 온도에서 밀도: 0.99895

 

계산한 부피 값

부피(mL)	50mL 비커	10mL 피펫	10mL 눈금실린더	50mL 뷰렛
평균	17.685	9.939	9.747	10.030

 

오차율 구하기

오차율(%)	50mL 비커	10mL 피펫	10mL 눈금실린더	50mL 뷰렛
평균	76.85%	0.61%	2.53%	0.30%

 

8.토의

 

1. 오차의 원인 분석 및 해결방법

-이론으로 설정한 10mL와 비교해 모두 오차를 지니는 것은 실험 기구가 고유한 표준오차를 가졌기 때문이다. 이에 관해서는 이런 실험기기를 이용해 실험을 해야만 하는 우리에게는 어쩔 수 없으며 다만 이번 실험결과에 따라 정밀한 측정이 필요한 경우 뷰렛이나 피펫을 이용하도록 하고 메니스커스 보정법을 통해 오차를 더욱 줄여 정밀한 측정을 할 수 있도록 한다,

 

2. 이론이 어느 부분에서 적용되었는가?

-각 기구가 측정한 10mL 증류수의 실제 부피의 근사값을 기록하는데 이 과정에서 증류수의 질량을 측정해 ‘밀도=질량/부피’ 공식을 활용했다. 또한 증류수의 질량을 측정하는데 있어서는 비커의 질량을 미리 측정하고 기기가 측정한 10mL의 물을 비커에 담고 질량을 측정한 뒤 비커의 질량과 차를 구함으로써 알 수 있었다. 또한 실험 과정에서 저울, 뷰렛, 피펫 등 실험기기의 사용법을 눈으로 확인할 수 있었다.

 

3. 실험 기구의 목적과 결과값에 대해 오차율과 연관 지어 생각해 보기.

-오차율을 크게 나타내는 순으로 정리를 해보면 비커, 눈금실린더, 피펫, 뷰렛 순이다. 오차율을 가장 크게 나타내는 비커는 이 오차가 이후 다른 실험의 오차에 영향을 줄 수 있으므로 주로 부피 측정보다는 정밀한 기기로 측정한 액체를 실험 과정 중 액체를 담거나 옮기는 용도로 이용해 오차를 줄일 수 있도록 한다.

그 다음으로 오차가 큰 것은 눈금실린더인데 눈금실린더는 액체를 담고 눈금을 통해 부피를 어림잡는 방식이므로 비커에 비해서는 오차가 작게 나타났으나 오차가 뷰렛과 피펫에 비해서는 큰 편이다. 그러므로 눈금실린더는 이런 식으로 부피를 어림잡아도 되는 경우에 활용할 수 있도록 한다. 또한 예를 들어 조그만 돌의 부피를 측정하는 경우 눈금실린더에 물을 100mL 담고 조그만 돌을 눈금실린더에 넣으니 부피가 110mL가 되므로 돌의 부피는 10mL가 되므로 이런 식으로 용액에 녹지 않는 작은 고체의 경우도 부피를 측정할 수 있다.

그 다음으로 피펫은 비커와 눈금실린더에 비해 오차가 매우 작게 나타난 편이다. 피펫은 부피를 측정하는데 있어 정밀한 편이고 또한 들고 옮기기도 용이하므로 액체를 옮기는데 사용한다.

그리고 뷰렛의 경우 실험결과 상 가장 정밀한 측정결과를 나타내었다. 뷰렛도 피펫과 마찬가지로 오차가 적으므로 실험에 이용하는 액체를 옮기는데 이용하는데 뷰렛은 주로 적정을 하는 과정에서 이용된다고 한다.

 

4. 피펫도 오차가 적은 편인데 피펫 대신 뷰렛을 주로 적정에 사용하는 이유는 무엇일까?

-피펫의 경우 주로 일정량의 액체를 가하거나 일정량의 액체를 뽑아서 담아 옮기는 기구로써 쓰이는데 반해 뷰렛은 사용자가 조절을 하면서 일정 소량만큼 액체를 넣어주는 조절을 할 수 있어서 기구의 용법에 따른 이용분야의 차이라고 생각된다.