본문내용
1. 염화물의 분석
1.1. 실험 목적
침전 반응을 이용하여 염화물의 농도를 정량하고 Mohr법을 이해하는 것이 이번 실험의 목적이다. 염화물이란 염소와 그 밖의 원소나 화학 반응 시 분해되지 않고 다른 화합물에 이전하는 원자단의 화합물을 말한다. 일반적으로 물에 잘 녹아 이온으로 해리하고, 수용액은 중성을 띈다. 이번 실험에서는 NaCl, KCl, NaCl+KCl 수용액의 적정을 통해 염화물의 농도를 정량하고, 이를 이용해 Mohr법의 원리를 이해하고자 한다.
1.2. 실험 이론 및 원리
1.2.1. 염화물의 정의
염화물은 염소와 그 밖의 원소나 화학 반응 시 분해되지 않고 다른 화합물에 이전하는 원자단의 화합물을 말한다. 일반적으로 물에 잘 녹아 이온으로 해리하고, 수용액은 중성을 띄는 특성을 가진다. 유기용매에서는 대개 무극성인 것에 잘 녹지 않는다. 또한, 전형적인 이온성 화합물에 비해서 녹는점, 끓는점이 낮고, 수화물은 대체로 물에 잘 녹는다. 수용액은 일반적으로 가수분해로 인해서 산성을 띄는데, 그 결과 수화 산화물 또는 옥시 염화물을 침전시키기도 한다. 비금속 원소의 염화물은 대부분 공유 결합성을 가지는 분자로 이루어지며, 휘발성이고, 상온에서 기체 또는 액체인 것이 많다.
1.2.2. 침전 반응
침전 반응은 용액 중에서 일어나는 반응으로, 두 용액을 섞었을 때 생성되는 불용성 고체를 침전이라고 한다. 이러한 침전 반응은 다음과 같은 특징을 가진다.
첫째, 침전 반응은 전형적인 이온 교환 반응이다. 서로 다른 이온으로 구성된 두 가지 물질이 섞여 새로운 이온의 결합체인 침전물을 생성하는 것이다. 예를 들어 염화나트륨(NaCl) 수용액과 질산은(AgNO3) 수용액을 섞으면 염화은(AgCl) 침전이 생성된다.
둘째, 침전이 생성되는 과정에서 용해도가 작은 화합물이 생성된다. 이온들 사이의 인력이 강하여 물분자가 이온들을 분리하기 어려워지기 때문이다. 따라서 대부분 물에 녹지 않는 침전물이 형성된다.
셋째, 침전 반응에서는 특정한 양이온과 음이온이 일정한 화학식비로 결합한다. 예를 들어 염화은(AgCl)의 경우 은 이온(Ag+)과 염소 이온(Cl-)이 1:1의 화학식비로 결합한다.
넷째, 침전 반응의 속도가 빨라야 한다. 침전 반응이 느리면 정량분석에 적합하지 않기 때문이다. 따라서 침전 반응의 속도가 빨라야 정량분석에 활용할 수 있다.
이와 같은 특징을 가진 침전 반응은 정량 분석에 널리 이용된다. 대표적으로 Mohr법, Fajans법, Volhard법 등의 침전 적정법이 있다. 이러한 침전 적정법은 용액 중의 특정 이온을 정량하는데 사용된다.
1.2.3. 용해도곱 상수
용해도곱 상수는 포화 용액에서 물질을 이루는 양이온과 음이온의 농도 곱이 일정한 값을 가지는 평형 상수를 의미한다.
용해도곱 상수는 일정 온도에서 물질의 용해도를 나타내는 척도이다. 예를 들어 염화은(AgCl)의 용해도곱 상수 Ksp는 1.8×10-10이다. 이는 AgCl의 포화 수용액에서 [Ag+][Cl-] = 1.8×10-10이 성립함을 의미한다. 즉, AgCl의 용해도가 매우 낮아 실제 용액 내에 존재하는 Ag+와 Cl-의 농도곱이 10-10 수준으로 작다는 것을 나타낸다.
일반적으로 용해도곱 상수가 작을수록 해당 물질의 용해도가 낮다. 따라서 용해도곱 상수가 매우 작은 물질은 물에 거의 녹지 않는 난용성 화합물이라고 할 수 있다. 이러한 특성은 침전 적정법에 활용된다. 침전 반응이 일어나는 물질의 용해도곱이 작으면 당량점 근처에서 침전물이 생성되어 쉽게 종말점을 확인할 수 있기 때문이다.
1.2.4. 르 샤틀리에의 원리
르 샤틀리에의 원리는 열역학적 평형이동에 관한 원리로, 평형상태에 있는 물질계의 온도나 압력을 바꾸었을 때 그 평형상태가 어떻게 이동하는가를 설명하는 원리이다.
이 원리에 따르면 물리적, 화학적 변화에 대하여 평형을 이루는 방향으로 운동이나 반응이 진행된다. 즉, 평형상태에 있는 물질계에 외부 요인이 가해지면 그 평형을 방해하는 방향으로 변화가 일어나 새로운 평형상태를 이루게 된다는 것이다.
예를 들어 가역반응 A ⇌ B에서 온도를 올리면 발열반응 쪽으로 평형이 이동하여 B의 농도가 증가하고, 압력을 올리면 반응물 쪽으로 평형이 이동하여 A의 농도가 증가하게 된다.
이 원리는 1844년 르 샤틀리에가 발표하였고, 1887년 브라운도 독자적으로 발견하여 발전시켰기 때문에 르 샤틀리에-브라운 법칙이라고도 부른다.
이러한 르 샤틀리에의 원리는 화학평형에 대한 이해를 높이고, 화학반응의 방향과 정도를 예측하는데 중요한 역할을 한다.
1.3. 실험 기구 및 시약
1.3.1. 실험 기구
250mL 삼각 플라스크는 바닥이 평평하고 넓은 원뿔모양의 플라스크로 밑바닥이 넓고 평평하여 세워 놓기에 안정적이고 안에 넣은 액체가 바깥으로 튀는 일이 거의 없는 특징이 있다.
자석 교반기와 자석 젓개는 교반기 내부의 자석을 회전시켜 용기에 들어있는 자석 막대를 회전시켜 내용물을 저어주는 장치이다.
뷰렛은 적정 등에서 액체의 부피를 측정하는 실험 기구로 길이 70cm, 지름 1cm 정도의 가느다란 유리관이며, 부피는 25~50mL이다. 눈금의 전후차로 배출된 액체의 부피를 정확히 측정할 수 있으며 눈금은 0.1mL까지 읽을 수 있다.
1.3.2. 실험 시약
실험 시약은 다음과 같다.
증류수는 이온이 제거된 순수한 물로, 실험에 사용된다.
0.200 M 표준 AgNO3 용액은 질산 은(Silver Nitrate)을 사용하여 제조한다. 분자량 169.87g/mol, 녹는점 212℃, 끓는점 444℃, 밀도 4.25g/mL, 용해도 215g/100g(20℃ 물)의 특성을 가지고 있다. 무색의 투명한 판상 결정으로, 알코올 무수물, 벤젠, 아세톤 등에는 잘 녹지 않지만 에테르, 메탄올 등에는 약간 녹는다. 단백질 응고 작용이 있어 피부 등을 부식시키므로 주의가 필요하다.
0.500 M K2CrO4 지시약은 크롬산 칼륨(Potassium Chromate)을 사용하여 제조한다. 분자량 194.2g/mol, 녹는점 675℃, 끓는점 1000℃, 밀도 2.73g/mL의 특성을 가진다. 수용액이 가수분해하여 염기성을 나타내며, 노란색의 가루로 발암물질이다. 염화 이온을 확인하는데 사용되는 지시약이다.
1.4. 실험 방법
1.4.1. NaCl 수용액의 적정
NaCl 수용액의 적정은 염화나트륨 수용액을 0.2...
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