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자연과학 올립니다 화학 및 실험 - 스테아르산의 단층막을 이용한 아보가드로수의 결정 등록

 

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화학 및 실험 - 스테아르산의 단층막을 이용한 아보가드로수의 결정

 

1. 실험 목적

물 표면에 퍼지면서 단층막을 형성하는 스테아르산의 성질을 이용해서 몰(mole)을 정의하는데 필요한 아보가드로수를 구해 본다.

 

2. 실험 이론

물(H2O)은 이중 극자의 성질을 갖고 있는 극성 분자이다. NaCl과 같은 이온 화합물은 단위 전하, 즉 Na+와 Cl-로 완전하게 분리되어 있으나, 극성 화합물은 전하가 부분적으로 분리되어 있다(δ(델타) 기호로 표시한다). 극성 분자들 끼리는 서로 끌어당기는데, 한 분자의 이중 극자의 양극(δ+) 끝이 다른 분자의 이중 극자의 음극(δ-) 끝을 당기게 된다. 그래서 물은 이중 극자를 지닌 포름산(H-COOH)을 녹일 수 있으나, 부탄(C4H10)과 같이 이중 극자가 없는 물질은 녹이지 못한다. 만약 이들 성질을 모두 지닌 분자를 물 표면에 가져오면 분자의 극성 부분은 표면에 끌릴 것이며, 비극성 부분은 반발할 것이다. 그런데 비극성 부분이 극성 부분보다 대단히 크다면 그 분자는 물에 녹지 않을 것이며, 탄소 분자들끼리의 반데르발스 힘에 의해 긴 탄소사슬은 표면에 서게 될 것이다.

이 실험에서 사용하는 스테아르산(stearic acid)은 바로 위에서 설명한 행동을 보인다. 스테아르산은 총 18개의 탄소를 갖고 있으며, 카복실기(-COOH)로 되어 있는 극성의 끝과 16개의 메틸렌기(-CH2)로 되어 있으면서 끝에는 메틸기(-CH3)가 붙어 있는 비극성 꼬리를 가지고 있다. 아래에 이 분자를 자세하게 나타내었다.

동물성 지방은 스테아르산을 많이 함유하고 있으며, 스테아르산은 수산화 소듐과 반응시키면 비누의 주성분인 스테아르산의 소듐염이 생성된다. 기름처럼 물에 녹지 않는 물질은 무극성 탄화수소 사슬에 둘러싸이게 되고, 극성을 가진 카복실기는 물에 잘 녹게 된다.

스테아르산을 헥세인에 녹여 물 위에 떨어뜨리면 극성을 가진 카복실기는 물에 잘 달라붙지만 무극성인 탄화수소 사슬은 물과 잘 접촉하지 않으려는 경향이 있다.

따라서 물 위의 헥세인이 모두 증발하면 스테아르산의 카복실기는 물 쪽으로 향하고 탄화수소 사슬은 물 층 위로 서 있는 단분자층, 즉, 단층막(monolayer)이 형성된다.

앞에서 이미 언급한 바와 같이 스테아르산 분자는 18개의 탄소 원자가 연결되어 있다. 이 원자들이 서로 연결된 작은 입방체라고 가정하여 탄소 입방체의 한 모서리의 길이를 구할 수 있고, 모서리…(생략)

 

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