본문내용
1. 용해도적 상수와 공통이온 효과
1.1. 실험 목적
실험 목적은 용해도 곱 상수와 공통이온 효과를 이용하여 물에 거의 녹지 않는 불용성 염의 용해도를 결정하는 것이다. 이를 위해 포화 용액 상태에서 용질 이온의 농도로부터 용해도 곱 상수를 구하고, 공통이온 첨가에 따른 용해도 변화를 관찰하여 공통이온 효과를 이해하는 것이 목표이다.불용성 염의 용해 평형에서 용질 이온의 농도 곱이 일정한 용해도 곱 상수는 화학 분석과 침전 적정에 중요한 값이다. 또한 용액에 공통된 이온을 첨가하면 르샤틀리에의 원리에 따라 불용성 염의 용해도가 감소하는 공통이온 효과를 관찰할 수 있다. 이번 실험을 통해 이러한 용해도 곱 상수와 공통이온 효과의 원리를 이해하고, 관련된 화학 계산을 수행할 수 있게 된다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 용해도
용해도는 일정한 온도에서 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 최대량으로 용질의 그램수(g)로 나타낸다. 같은 용매에 녹이더라도 용질의 종류에 따라 녹을 수 있는 양은 서로 다르다. 또한 같은 용질이라도 용매의 종류에 따라 녹을 수 있는 양도 다르다. 또 온도에 따라서도 달라진다. 따라서 용해도를 알기 위해서는 '어떤 용매에', '어떤 용질을', '몇 도의 온도에서' 녹였는지를 고려해야 한다. 보통은 용매로써 물을 사용한다. 용질을 용매에 직접 녹여가면서 용질의 용해도를 알아낼 수 있으며, 용해도를 알고 있는 용질의 경우 포화 용액 속에 용질이 몇 그램 포함되어 있는지도 계산할 수 있다. 일반적으로 극성 용질은 극성 용매에 대한 용해도가 높고, 비극성 용질은 비극성 용매에 대한 용해도가 높다. 또 온도 뿐 아니라 압력에 의해서도 용해도가 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로는 대기압에서의 용해도를 말한다.
1.2.2. 용해도곱
용해도곱은 일정한 온도에서 용매에 약간 용해되어 있는 난용성 염 MA가 이온 M+와 A-로 해리되어 평형상태를 이루고 있을 때, M+의 농도와 A-의 농도의 곱이 일정한 값을 나타내는 것을 말한다. 이 곱을 그 온도에서의 용해도곱 상수(Ksp)라고 한다.
난용성 염 MA의 용해 평형은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
MA(s) ⇌ M+(aq) + A-(aq)
이때 평형상태에서 [M+]와 [A-]의 곱은 일정한 값을 가지며, 이를 용해도곱 상수(Ksp)라고 한다.
Ksp = [M+] × [A-]
용해도곱 상수는 일정한 온도에서 고정된 값을 가지며, 용액의 pH, 공통이온 효과 등에 따라 달라지지 않는다. 다만 온도가 변화하면 용해도곱 상수 값도 변화한다.
용해도곱 상수는 화학분석, 특히 침전적정에 있어서 매우 중요한 값이다. 용해도곱 상수가 작은 경우 해당 화합물은 매우 난용성이며, 용해도곱 상수가 큰 경우 용해도가 크다고 볼 수 있다. 따라서 용해도곱 상수를 활용하여 특정 화합물의 용해도 및 침전 여부를 예측할 수 있다.
1.2.3. 공통이온 효과
공통이온 효과는 어떤 이온종을 함유하는 용액에 그것과 공통된 이온을 방출하는 물질을 가하면 르샤틀리에의 법칙에 따라 상대 이온의 농도가 감소하는 방향으로 평형이 이동하는 현상을 말한다.
예를 들면, 소금(NaCl)의 침전을 더욱 완전하게 하기 위해서 공통이온 효과가 이용된다. NaCl이 물에 녹아 Na+와 Cl- 이온이 생성되는데, 여기에 Cl-이온을 추가로 공급하면 Le Chatelier의 원리에 따라 평형이 왼쪽으로 이동하여 용액 중 Na+와 Cl- 이온의 농도가 감소하게 된다. 그 결과 NaCl의 용해도가 감소하여 더 많은 양의 NaCl이 침전된다.
즉, 용액 내에 공통이온이 있는 경우 그 이온의 농도가 증가하면 용해도가 감소하게 되는데, 이것이 공통이온 효과의 핵심 원리이다. 이러한 공통이온 효과는 침전 반응, 산-염기 반응, 착화합물 생성 반응 등 다양한 평형 반응에 적용될 수 있으며, 화학 분석 및 분리 과정에서 중요한 역할을 한다.
1.3. 실험 준비물
실험 준비물은 다음과 같다.
실험도구로는 삼각플라스크, 비커, 링스탠드, 온도계, 거름종이, 화학저울, 피펫, 피펫필러, 뷰렛 등이 사용된다.
실험재료로는 증류수, 페놀프탈레인 지시약, NaOH 표준용액, 수소화칼륨, 에탄올, 질산칼륨 등이 사용된다.
이와 같은 다양한 실험도구와 재료를 통해 용해도적 상수와 공통이온 효과에 대한 실험을 진행할 수 있다.
1.4. 실험 방법
1.4.1. KHtart의 물에 대한 용해도
약 2.5g의 KHtart를 삼각플라스크에 넣고 130ml 정도의 증류수를 부어서 KHtart 포화용액을 만든다. 약 10분간 저어주고 충분히 기다려 용액이 평형에 도달하게 한다. 용액의 온도를 재고 기록해 둔다. 고체를 여과하여 걸러내면 상온의 포화용액이 만들어진다. 이 때 고체를 완전히 걸러내는 것이 중요하다. 포화용액의 25ml를 피펫으로 퓌하여 삼각플라스크에 옮기고 페놀프탈레인 지시약 2~3방울을 첨가하여 적정을 위한 용액을 준비한다. 뷰렛을 NaOH 표준용액으로 채우고 적정한다. 반응의 종말점은 분홍색이 나타나서 30초 정도 색이 사라지지 않는 점이다. 소모된 NaOH 표준용액의 부피를 읽어준다. 남은 포화용액으로 적정을 다시 한번 반복하고 NaOH 소모부피를 읽어 평균을 낸다.
1.4.2. KNO3 용액에서의 용해도
KNO3 용액에서의 용해도는 다음과 같다.
먼저, KNO3 0.050mol에 해당하는 무게를 달고 250.0ml의 증류수에 녹임으로써 0.20M 농도의 KNO3 용액을 준비하였다. 이 용액의 75ml를 삼각플라스크에 옮기고 KHtart 2g을 넣은 후 충분히 저어주고 10분 이상 방치하여 평형에 도달하게 하였다.
이후 용액의 25ml씩을 취하여 KHtart의 물에 대한 용해도 실험과 같은 방법으로 2번 적정하였다. 그 결과, KNO3 용액에서의 KHtart의 용해도는 1회 적정 시 2.9ml의 NaOH 표준용액이 소모되었고, 2회 적정 시 2.5ml의 NaOH 표준용액이 소모되었으며, 이를 평균하면 2.7ml의 NaOH 표준용액이 소모되었다.
이를 통해 KNO3 용액에서의 KHtart의 용해도를 확인할 수 있었다.
1.4.3. NaNO3 용액에서의 용해도
200M NaNO3 용액에서의 용해도는 다음과 같다.
0.200M NaNO3 용액 250ml를 준비한 후, 이 용액 75ml를 삼각플라스크에 옮기고 KHtart 2g을 넣어 녹인 후 실험 방법과 동일한 과정으로 2번 적정하였다. 이 때 소모된 NaOH 표준용액의 부피는 각각 15.8ml와 15.1ml이며, 평균값은 15.45ml이다.
즉, 0.200M NaNO3 용액에서의 KHtart의 용해도는 평균 15.45ml의 NaOH 표준용액이 소모된 것으로 나타났다. 이는 0.200M NaNO3 용액 내에서 KHtart의 용해도가 증가했음을 의미한다. 이는 NaNO3 용액에 공통이온인 NO3-이온이 존재함으로써 KHtart의 용해도...
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