[자연과학]화학실험 - 아보가드로수 측정

1. 실험원리

이 실험은 스테아린산이라는 탄화수소 화합물을 이용해 아보가드로의 수를 구하는 실험이다.
스테아린산은 비누와 같은 화합물로 지방산의 일종이다. 구조는 긴 사슬모양 으로 한쪽끝은 극성을 가진 카르복실기로, 다른 한쪽은 비극성인 탄화수소 사슬로 이루어져 있다. (그림1)
그리고 물의 구조상 물은 전자를 잘 잡아당기는 산소 한 개에 두 개의 수소가 104.5도의 각도를 이루며 결합되어 있어 전기 쌍극자의 성질을 갖고 있는 극성분자이다. 따라서 스테아린산의 카르복실기와 물 사이의 인력이 작용하게 되고, 반면에 무극성인 탄화수소 부분은 물과 접촉하지 않으려 한다. 결국 카르복실기가 물로 향하고 탄화수소 사슬이 물층위로 서있는 단분자층을 형성하게 된다. 분자층을 형성하면 그림 2처럼 스테아린산 분자가 수직으로 위치하게 된다.
그림1. 스테아린산의 분자구조

그림2. 스테아린산 분자층

이때 증류수 위의 스테아린산 단분자층의 두께는 대략적인 분자의 길이와 같다. 따라서 단분자층의 두께로부터 분자의 크기를 알게 되면 아보가드로 수를 계산할 수 있다.
2. 1에서 모르는 개념의…(생략)

① 아보가드로 수 : 1mol(몰)의 물질입자(분자, 원자, 전자, 이온, 유리기 등) 속에 들어 있는 입자의 수이다. 모든 기체의 1mol은 똑같은 수의 원자를 포함하는데 그 수를 아보가드로수라 한다. 보통 NA으로 표시하며 NA 〓 6.02×1023 개/mol 이다.

② 몰 : 1몰은 원자량의 기준에 따라 탄소의 질량수 12인 동위원소 12C의 12g 중에 포함되는 원자의 수, 즉 아보가드로수와 같다. 이에 해당하는 6.02×1023 물질 입자(원자분자자유라디칼이온전자)를 포함하는 물질의 집단(또는 그 집단의 질량 또는 전하)을 1몰로 정의한다. 기호는 mol, M 또는 mole로 표시한다.

③ 단분자층 : 고체 또는 액체 표면에 생기는 두께가 한 분자의 지름밖에 안 되는 얇은 층으로 이것이 계면에 존재하여 막을 이루고 있을 때는 단분자막(1분자막)이라고 한다. 고급지방산 고급알코올 등을 벤젠에 녹여 수면에 떨어뜨리면 친수기는 물쪽에, 소수기는 공기쪽에 향하고 분자가 배향하여 단분자막을 만든다.

④ 지방산 : 1개의 카르복시기(-COOH)를 가지는 탄화수소 사슬의 카르복실산으로 사슬 모양의 카르복실산을 말한다. 지방을 가수분해하면 생기기 때문에 이러한 이름이 붙었다.

⑤ 극성분자 : 전기 쌍극자모멘트를 갖는 분자로 공유결합을 하는 분자들은 대부분 비금속이기 때문에 서로 공유전자쌍을 차지하려고 한다. 그 속에서 공유전자쌍을 끌어당기는 힘의 우열이 생기게 되는데, 이것이 극성을 나누게 된다. 일반적으로 쌍극자모멘트가 1D(＝10-18cgs-esu) 정도 이상인 분자를 보통 극성분자 또는 유극성분자라고 한다.

⑥ 쌍극자 모멘트 : 크기가 같은 양과 음 두 극이 아주 가까운 거리를 두고 마주하고 있을 때 이 두 극을 쌍극자라고 하는데, 이때 두 극의 세기와 거리를 곱한 것을 쌍극자모멘트라고 한다. 이것은 방향을 고려하여 양극에서 음극