이 실험 소개
식초가 든 용기에 풍선을 끼우고 베이킹소다를 넣어 기체를 모으는 풍선이 부푸는 모습을 관찰합니다. 반응물의 양을 바꾸어 제한 반응물을 찾은 다음, 부드러운 풍선과 단단한 풍선을 비교합니다. 용기를 열린 상태로 두는 실험에서는 같은 화학 반응으로 생성된 기체가 용기에 머무르지 않고 빠져나가는 것을 확인합니다.
학습 목표
- 탄산수소염 또는 아세트산 중 어느 쪽의 양이 제한 요인이 될지 예측합니다.
- 풍선의 크기를 거품의 수뿐 아니라 기체의 양과 압력에도 연관 지어 살펴봅니다.
- 용기에 머무르는 기체와 열린 경계를 통과해 빠져나가는 기체를 비교합니다.
사용 방법
- 1풍선을 끼우고 기본 설정된 가루를 넣은 뒤 최종 기체 부피를 기록합니다.
- 2식초의 양은 그대로 유지하면서 베이킹소다를 더 넣고 기체 생성량이 더 이상 증가하지 않는 지점을 찾습니다.
- 3화학 물질의 양은 고정한 채 풍선의 강성을 높이고 압력과 부피를 비교합니다.
- 4새 실험에서는 풍선을 제거하고 반응을 반복한 뒤 빠져나간 기체의 질량을 확인합니다.
모델
가정
- 이상적인 반응식은 NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂입니다. 식초의 밀도는 1 g/mL이며, 선택한 농도는 아세트산의 질량 백분율입니다.
- 온도를 298.15 K로 고정하면 기체 생성량은 1 − exp(-0.07t)에 따라 한계량에 가까워집니다. 용존 CO₂, 아세트산 평형 및 온도 변화는 제외됩니다.
- 부착된 기체 포집기는 절대 압력이 P = 101.325 kPa + K × 기체 부피(리터)인 이상적인 CO₂를 보유합니다. 이 양의 선형 강성은 교육용 순응도 법칙이며, 실제 라텍스 풍선의 구성 모델이 아닙니다. 분리된 포집기는 기체를 보유하지 않습니다.
수업에서 해 보기
- Q1왜 베이킹소다를 더 넣어도 풍선 크기가 더 이상 커지지 않을까요?
- Q2왜 더 뻣뻣한 풍선은 같은 양의 기체를 더 작은 부피로 담을까요?
자주 묻는 질문
풍선의 부피는 주변 압력에서의 이상 기체 부피와 같을까요?
선택한 강성이 0일 때만 그렇습니다. 강성이 양수이면 기체 압력은 더 높고 부피는 더 작습니다.
왜 열린 용기에서는 질량이 줄어드는데, 풍선을 장착하면 줄어들지 않을까요?
개방계에서는 이산화탄소가 측정 대상 시스템 밖으로 빠져나갑니다. 폐쇄계에서는 포집기가 시스템 경계 안에 남아 있습니다.