소개글
"화학평형 르샤를리에"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적 및 배경
1.1. 반응 용액의 흡광도 측정을 통한 평형 농도 및 평형 상수 결정
1.2. Le Chatelier의 원리 확인
2. 이론적 배경
2.1. 가역반응과 평형상수
2.2. 평형상수와 자유에너지
2.3. 르 샤틀리에의 원리
2.4. Beer의 법칙
2.5. 비색법
3. 실험 기기 및 시약
3.1. 실험 기기
3.2. 시약
4. 실험 방법
4.1. 혼합 용액 준비
4.2. Le Chatelier 원리 확인
4.3. 혼합 용액의 흡광도 측정 및 평형 농도 계산
5. 실험 결과
5.1. 혼합 용액의 초기 농도 및 흡광도
5.2. 평형 상태에서의 FeSCN2+ 농도 도출
5.3. 평형 농도와 평형 상수
6. 고찰 및 토의
6.1. 실험 결과 분석 및 오차 원인 파악
6.2. Le Chatelier 원리의 적용 이해
6.3. 실험 방법 및 장비 활용의 적절성 평가
7. 결론
8. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적 및 배경
1.1. 반응 용액의 흡광도 측정을 통한 평형 농도 및 평형 상수 결정
질산 철(Ⅲ) 용액과 티오시안산칼륨 용액을 섞으면 붉은색을 띤 착이온인 FeSCN2+이 생성된다. 이 반응의 평형 상태에서 Fe3+ 및 SCN- 이온의 농도와 FeSCN2+ 착이온의 농도를 측정하면 이 반응의 평형 상수를 계산할 수 있다.
FeSCN2+ 착이온의 농도는 착이온의 표준 용액과 색을 비교하여 구할 수 있는데, 분광 광도계를 이용하여 흡광도를 측정함으로써 계산할 수 있다. Beer's law에 따르면 혼합 용액에 의하여 빛이 흡수되는 정도는 용액의 농도와 빛이 용액을 통과하는 거리의 곱에 비례한다. 즉, 혼합 용액의 흡광도(A)는 몰 흡광계수(ε), 빛이 용액을 통과하는 거리(b), 그리고 FeSCN2+ 착이온의 농도(c)에 따라 A = εbc와 같은 관계가 성립한다.
실험에서는 다양한 농도의 Fe3+와 SCN-이 혼합된 용액을 준비하고, 분광 광도계를 이용하여 각 용액의 흡광도를 측정하였다. 이를 통해 평형 상태에서의 FeSCN2+ 착이온의 농도를 도출할 수 있었다. 한편, 평형 상수(K)는 평형 농도를 평형 상수식에 대입하여 계산할 수 있다. 평형 상수식은 반응의 화학양론에만 의존하고 반응 메커니즘과는 무관하므로, 실험에서 측정한 평형 농도를 이용하여 평형 상수를 구할 수 있었다.
이와 같이 반응 용액의 흡광도 측정을 통해 FeSCN2+ 착이온의 평형 농도를 도출하고, 이를 이용하여 이 반응의 평형 상수를 계산함으로써 평형 농도 및 평형 상수를 결정할 수 있었다.
1.2. Le Chatelier의 원리 확인
3번 혼합 용액에 0.001M Fe(NO3)3 용액 0.5mL를 첨가하면 용액의 색이 상아색에서 조금 더 진한 크림색으로 변화한다. 이는 외부에서 반응물인 Fe3+를 추가함에 따라 평형 상태가 새로운 상황에 맞도록 반응이 이동하여 생성물인 FeSCN2+의 농도가 증가하였기 때문이다.
평형 상태에서 반응물의 농도가 증가하면 계는 그 변화를 완화시키는 방향으로 평형을 이동하여 생성물의 농도를 증가시킨다. 즉, Le Chatelier의 원리에 따라 화학 평형이 외부 변화에 대응하여 새로운 균형 상태를 찾아간다.
이를 실험적으로 확인하기 위해 3번 혼합 용액의 흡광도를 Fe(NO3)3 용액 첨가 전과 후에 측정하였다. 그 결과, 첨가 후 흡광도가 증가한 것으로 나타나 FeSCN2+ 착이온의 농도가 증가하였음을 알 수 있다. 이는 반응 평형이 Fe3+ 농도 증가에 의해 정방향으로 이동하여 FeSCN2+의 농도가 늘어났기 때문이다.
따라서 Fe3+ 농도 증가라는 외부 변화에 대해 화학 평형이 생성물 농도를 높임으로써 평형을 새롭게 설정하는 Le Chatelier의 원리를 실험적으로 확인할 수 있었다. 이를 통해 화학 반응 평형의 동적 특성과 그 변화 양상을 이해할 수 있다.
2. 이론적 배경
2.1. 가역반응과 평형상수
화학반응은 가역반응과 비가역반응으로 구분할 수 있다. 가역반응은 반응 조건(온도, 농도, 압력 등)에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응이다. 이에 반해 비가역반응은 정반응이 크게 우세하여 역반응이 일어나기 어려운 반응이다.
가역반응의 경우, 정반응과 역반응의 속도가 같아지면 반응이 평형에 도달하게 된다. 이때 각 물질의 농도를 알면 평형상수를 계산할 수 있다. 평형상수는 생성물 농도의 곱에 대한 반응물 농도의 곱의 비로 정의되며, 반응식의 계수에 따라 달라진다. 평형상수는 온도에 의존하므로 온도가 일정할 때 일정한 값을 가진다.
Fe3+ + SCN- ⇌ FeSCN2+
위 반응에 대한 평형상수(K)는 다음과 같이 정의된다.
K = [FeSCN2+] / ([Fe3+][SCN-])
여기서 [FeSCN2+], [Fe3+], [SCN-]는 각각 FeSCN2+, Fe3+, SCN-의 평형 농도이다. 반응 초기의 각 반응물 농도와 생성물 농도를 알면 위 식을 통해 평형상수를 구할 수 있다.
평형상수의 크기는 반응의 특징을 알려준다. 평형상수가 크면 생성물이 우세하게 존재하고, 평형상수가 작으면 반응물이 우세하게 존재한다. 또한 평형상수를 통해 반응의 진행 방향을 예측할 수 있다. 반응물과 생성물의 농도비(Q)가 평형상수(K)보다 작으면 정반응 방향으로, 크면 역반응 방향으로 진행한다. 정반응과 역반응의 평형상수는 서로 역수 관계이다.
따라서 가역반응에서 평형상수는 반응의 특성을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
2.2. 평형상수와 자유에너지
가역반응은 온도, 농도, 압력에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응이다. 평형 상태에 도달하면 정반응과 역반응의 속도가 같아진다. 평형 상태에서의 각 물질의 농도를 알면 평형상수를 구할 수 있다. 평형상수는 반응물의 농도 곱에 대한 생성물의 농도 곱의 비이며, 온도에 의존하므로 온도가 변하지 않는 한 일정한 값을 가진다.
평형상수를 이용하면 화학반응의 진행 방향을 예측할 수 있다. 반응물과 생성물의 농도 곱의 비인 반응지수 Q가 평형상수 K보다 작으면 정반응 쪽으로, Q가 K보다 크면 역반응 쪽으...
참고 자료
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-네이버 지식백과, “큐벳”, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2312314&cid=60227&categoryId=60227
-네이버 지식백과, “피펫”, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=933757&cid=43667&categoryId=43667
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비가역반응. 네이버사전
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1105732&cid=40942&categoryId=32252
화학평형. 나무위키
https://namu.wiki/w/%EB%8F%99%EC%A0%81%ED%8F%89%ED%98%95
깁스 자유에너지
https://blog.naver.com/limitsinx/221686129552
2020년 2학년 1학기 실험노트
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