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[무기화학실험] Preparation of trans-dichlorotetrapyridinerhodium chloride - 이론보고서

Preparation of trans-dichlorotetrapyridinerhodium(Ⅲ) chloride#Key Words전이 금속, 배위 결합, 배위수, 착물 입체 구조, 결정장 이론, 기하 이성질체#실험 목적trans-Dichlorotetrapyridinehodium(Ⅲ) chloride를 합성하고 생성물의 IR spectrum을 통하여 합성을 확인한다.#실험 이론(1) 전이금속전이금속은 4~7주기, 4~12족의 d 오비탈을 포함하는 원소를 말한다. d-d 전이에 의하여 가시광선 흡수로 여러 색이 나타나고 d 오비탈 전자는 잃기 쉬우므로 +3, +6 등 여러 산화수를 갖는다.(2) 로듐(Rhodium)원자번호 45번인 로듐(Rh)의 전자배치는 [Kr]4d85s1이며 주기율표 9족에 속하는 전이금속 중 하나로 라디칼 반응을 잘 한다는 특징을 갖는다. 여러 화합물을 가질 수 있지만 거의 모든 로듐(Ⅲ) 착물은 팔면체 구조를 가진다. 로듐(Ⅲ)은 d6의 구성이며 상당히 안정하고 반자성인 성질을 갖는다.(3) 배위 결합배위결합은 한 원자가 다른 원자에게 비공유전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 공유결합으로, 금속 착물은 배위 공유 결합을 형성한다.(4) 착물착물이란 원자나 이온을 중심으로, 비공유 전자쌍을 가지는 다른 원자, 이온 등이 방향성을 갖고 입체적으로 배위한 원자집단을 의미한다. 이때 중심원자가 금속 또는 유사금속일 경우 금속착물이라고 하는데, 그 착물이 이온이면 착이온이라 하고 착물이 분자이면 착분자라고 한다. 리간드가 킬레이트성인 경우는 킬레이트 착물이라고 하는데, 이때 킬레이트란 두 자리 이상의 리간드가 중심 금속 원자와 배위 결합하여 고리 모양을 이룬 착화합물을 말한다.(5) 금속_EDTA 킬레이트대표적인 6배위 결합 화합물인 EDTA는 4개의 카복실산 염과 2개의 아민기로 구성되어 있다. Ca2+, Mg2+ 등 거의 모든 금속이온과 배위결합을 형성하며 안정한 킬레이트 화합물을 형성하기에 Hg2+ 혹은 Pb2+와 같은 중금속을 해독하는 특징을 가지고 방부제로 많이 사용된다.(6) 배위수배위수란 이온성 물질이나 배위 화합물의 양이온 또는 금속이온에 배위하는 리간드 수를 의미한다. 착물이 대칭성을 갖는 경우, 배위수에 따라 화합물 구조가 결정된다.- 리간드 개수(배위수)에 따른 착물의 구조반발력이 약해지며 입체효과가 줄어들 수 있도록 리간드 간의 거리는 최대한 멀어질 수 있는 구조로 형성된다. 리간드가 2개일 경우(2배위) 착물은 180° 직선형이고, 3개일 경우(3배위) 120°인 평면삼각형이다. 4개인 경우(4배위)에는 2가지의 구조가 존재하는데, 각도가 더 커서 입체효과 및 반발력이 줄어드는 109.5° 정사면체와 각도는 작지만 크기가 커서 반발력이 적어지는 2, 3주기 전위금속이 갖는 90° 사각형 형태가 있다. 리간드가 5개일 경우(5배위)는 삼각쌍뿔 구조를, 6개일 경우(6배위) 정팔면체 구조를 갖는다.(7) 결정장 이론(Crystal Field Theory)결정장 이론은 금속 이온과 리간드 사이의 결합을 이온의 측면에서 설명한다. 이는 중심에 금속 이온이 있고 그 주위에 리간드가 점전하로 존재하며 금속 양이온과 음이온인 리간드가 정전기적 상호작용을 이룬다고 가정하는 것이다. 하지만 실제 착물은 배위공유결합을 형성하기에 결정장 이론은 실제 분자와 잘 맞지 않음을 확인할 수 있다.리간드(비공유전자쌍을 가진 음전하)가 점점 다가오 다가오면 d 궤도 함수(전자가 돌아다니는 공간, 음전하)와 전자 간에는 반발이 발생하면서 에너지가 불안정해지는데, 이때 d-d 전이(splitting)가 일어난다. 그 벌어지는 정도는 금속 양이온과 리간드의 결합에너지를 나타낸다. 이 원리는 분자 오비탈 이론과 같기에 결정장 이론은 실제 분자와 완전히 맞지는 않더라도 의의를 갖는다.d 오비탈 종류 및 모양은 다음과 같다.제곱의 궤도함수(와 )는 전자가 축 선상에서 이동하고 곱의 오비탈(dxy, dyz, dxz)은 전자가 축과 축 사이에서 돌아다니는데, 위 5개의 d 궤도함수는 모두 금속 양이온이 있는 경우 축퇴되어 같은 에너지 준위 상에 존재한다.- 6배위 팔면체 착물리간드에는 비공유전자쌍이 있고 d궤도함수 내에도 전자가 존재하므로 축 선상에 존재하는 제곱의 오비탈은 리간드가 d궤도함수를 향해 접근해올수록 반발력이 증가한다. 그 결과 축퇴되어 있던 5개의 궤도함수에서 제곱의 궤도함수는 에너지적으로 불안정해지며 에너지 준위가 위로 올라가고 곱의 궤도함수는 그만큼 에너지 준위가 상대적으로 낮아지는데 이를 d-d 전이(splitting)라고 한다. eg 오비탈과 t2g 오비탈의 갈라지는 정도를 △o 또는 10Dq로 표시하며 금속 양이온의 결합이 강해 리간드가 더욱 가까이 접근할 접근할수록 △o의 크기는 증가한다.-4배위 사면체 착물6배위 팔면체 착물과 다르게 4배위 사면체 착물에서는 리간드가 축과 축 사이에 존재하며 5개의 궤도함수 중 곱의 궤도함수와 상호작용을 이룬다. 따라서 곱의 오비탈은 불안정해지면서 에너지 준위가 다음과 같이 올라가게 되고 제곱의 궤도함수는 그만큼 상대적으로 안정화된다. eg 오비탈과 t2g 오비탈의 갈라지는 정도를 △t로 표시하는데 이때△t=△o이다. 이는 팔면체의 경우, 리간드가 6개이므로 d 궤도함수와의 상호작용이 많이 일어나고 리간드가 축 선상에서 다가와 d 궤도함수와 직접적으로 부딪치기에, 팔면체의 d-d 전이는 리간드 4개와 결합하고 축 사이에서 다가오는 사면체 착물의 d-d 전이보다 더 많이 갈라지기 때문이다. 추가적으로 4배위 사면체의 90%는 약한 장에 해당한다는 특징을 갖는다.-갈라짐 크기(△o)에 영향을 미치는 인자1. 금속 이온의 성질 : 중심 금속 이온의 전하가 증가하면 리간드의 비공유전자쌍과 더 강한 결합을 형성할 수 있으므로 갈라짐이 커진다.2. 금속 이온의 성질 : 같은 족 내에서 주기가 내려 갈수록 갈라짐은 커진다.3. 리간드 수와 기하구조 : 다른 모든 인자가 같다면 4면체 착물 보다 8면체 착물의 갈라짐이 더 크다.4. 리간드의 성질 : 분광학적 계열을 통해 장 세기가 증가(갈라짐이 증가)하는 순서로 리간드를 다음과 같이 나열할 수 있다.피리딘을 기준으로 오른쪽은 강한 장을 형성하며 왼쪽은 약한 장을 형성하는데 강한 장은 대부분 질소 원자를 가지며 약한 장은 대부분 산소 원자를 갖는다.(8) 기하 이성질체(geometrical isomer)이중결합으로 연결된 두 원자에 결합된 원자 또는 원자단의 공간적 배치가 다른 이성질체를 의미한다. 기하 이성질체는 밀도, 녹는점, 끓는점, 쌍극자 모멘트 등의 물리적 성질이 현저하게 다르고 반응성도 다르다. 이중 결합을 가지는 탄소 화합물 또는 착이온에서는 흔히 시스(cis)형과 트랜스(trans)형 두 가지 기하 이성질체를 가지며, 시스형보다는 트랜스 형이 더 안정하다. 예로 Rh 6배위 착물의 기하 이성질체는 다음과 같다.(9) 반응식#시약 및 기구ⅰ) 시약 : RhCl3∙3H2O, Pyridine, NaH2PO2∙H2O- Rhodium(Ⅲ) chloride hydrate : 금속을 부식시킬 수 있으며 삼키면 유해하다. 피부와 눈에 손상을 일으킬 수 있다.-Pyridine : 분자량은 79.10g/mol로 녹는점은 -42℃,끓는점은 115.5℃이다. 고인화성 액체 및 증기로 삼키거나 피부와 접촉하면 유해하다. 졸음 또는 현기증을 일으킬 수 있고 암을 일으킬 것으로 의심된다.ⅱ) 기구 : Magnetic stirring hot plate, 10-mL beaker, sand bath, magnetic stirring bar, automatic delivery pipet, ice-water bath, Hirsch funnel, clay tile or filter paper#실험 방법① RhCl3∙3H2O 50 mg을 마그네틱바가 들어있는 10 mL 비커에 넣음② 파스퇴르 피펫으로 1 mL 의 증류수를 더하고 고체가 녹을 때까지 모래 중탕기에서 천천히 혼합물 교반③ 피펫으로 이용하여 피리딘 180mg을 넣음④ 핑크레드색 침전물이 용해되고, 오랜지색의 trichlorotriprydine-rhoudium(Ⅲ) 용액이 형성⑤ NaH2PO2∙H2O 결정을 오렌지 용액에 증류수 1 mL와 함께 넣고 가열⑥ 몇 초 후, 붉은 노란색으로 변함⑦ 용액을 상온에서 식히고 얼음 중탕으로 10분간 식힘⑧ 생성물과 노란 결정이 이 시점에서 생성⑨ Hirsch 깔대기를 통해 흡입 여과로 정제되지 않은 생성물을 모음⑩ 이를 적은 양의 따뜻한 물에 녹이고 얼음에서 30분간 식히면 생성물이 재결정 됨⑪ 생성물을 0.5 mL의 얼음물로 헹군 후 거름종이에서 건조⑫ IR을 찍고 피리딘의 IR과 비교#참고문헌Preparation of trans-dichlorotetrapyridinehodium(Ⅲ) chloride 강의 자료

자연과학| 2022.03.20| 3페이지| 2,500원| 조회(182)

보고서, 무기화학, 착물, 무기화학실험, 코발트

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[무기화학실험] Metal Complexes of Dimethyl Sulfoxide - 이론보고서

Metal Complexes of Dimethyl Sulfoxide#Key WordsDMSO, Cu/Pd/Ru, HSAB 이론, IR spectroscopy#실험 목적DMSO와 Cu, Pd, Ru의 금속 착물을 각각 합성한 후 수득률을 확인하고 IR 스펙트럼을 통해 각 금속 착물의 합성을 확인한다.#실험 이론(1) 착물착물이란 원자나 이온을 중심으로, 비공유 전자쌍을 가지는 다른 원자, 이온 등이 방향성을 갖고 입체적으로 배위한 원자집단을 의미한다. 이때 중심원자가 금속 또는 유사금속일 경우 금속착물이라고 하는데, 그 착물이 이온이면 착이온이라 하고 착물이 분자이면 착분자라고 한다. 리간드가 킬레이트성인 경우는 킬레이트 착물이라고 하는데, 이때 킬레이트란 두 자리 이상의 리간드가 중심 금속 원자와 배위 결합하여 고리 모양을 이룬 착화합물을 말한다.(2) HSAB 이론ⅰ) Irving-Williams 안정도 계열특정 리간드(Cl-, F-, H2O 등)에 대한 2가 금속 이온의 안정화 정도는 다음과 같다.Ba2+

자연과학| 2022.03.20| 3페이지| 2,500원| 조회(337)

무기화학, 실험보고서, 무기화학실험, DMSO, 금속착물

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[무기화학실험] Thione Complexes of Cobalt Nitrate Hexahydrate 코발트 질산 6 수화물의 티온 착물 - 이론보고서

Thione Complexes ofCobalt(Ⅱ) Nitrate Hexahydrate#실험 목적금속 착물의 배위 결합에 대해 알아보고 Co(Ⅱ)의 결합 특성 및 mimt의 양쪽 자리성을 이해한다. 이를 바탕으로 Cobalt(Ⅱ) Nitrate의 Thione complex를 합성하고 IR을 통해 합성을 확인해본다.#실험 이론(1) 배위결합배위결합은 공유결합의 일종으로 비공유전자쌍을 지니고 있는 분자나 이온이 전자쌍을 제공하는 결합을 의미한다.(2) 착물착물이란 원자나 이온을 중심으로, 비공유 전자쌍을 가지는 다른 원자, 이온 등이 방향성을 갖고 입체적으로 배위한 원자집단을 의미한다. 이때 중심원자가 금속 또는 유사금속일 경우 금속착물이라고 하는데, 그 착물이 이온이면 착이온이라 하고 착물이 분자이면 착분자라고 한다. 리간드가 킬레이트성인 경우는 킬레이트 착물이라고 하는데 이때 킬레이트란 두 자리 이상의 리간드가 중심 금속 원자와 배위 결합하여 고리 모양을 이룬 착화합물을 말한다.(3) 리간드(Ligand (L), 배위자)리간드는 비공유 전자쌍을 가지고 있으면서 이 비공유 전자쌍을 금속 양이온에 제공하여 배위 공유 결합 착물을 형성할 수 있는 중성분자 또는 음이온으로 이는 적어도 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 포함한 Lewis 염기에 해당한다.- 리간드의 종류한 자리(monodentate) 리간드 : 중심 극속 이온에 한 자리만 차지하는 리간드여러 자리(polydentate) 리간드 : 두 개 이상의 배위 가능한 원자를 가진 킬레이트 리간드를 말하고 이때 두 자리 배위하면 두 자리(bidentate), 세 자리 배위하면 세 자리(tridentate)이다. 예로 EDTA는 4개의 산소, 2개의 질소가 리간드로 작용하므로 여섯자리(hexadentate) 리간드이다.- 리간드 개수(배위수)에 따른 착물의 구조반발력이 약해지며 입체효과가 줄어들 수 있도록 리간드 간의 거리가 최대한 멀어질 수 있는 구조로 형성된다. 리간드가 2개일 경우(2배위) 착물은 180° 직선형이면삼각형이다. 4개인 경우(4배위)에는 2가지의 구조가 존재하는데, 각도가 더 커서 입체효과 및 반발력이 줄어드는 109.5° 정사면체와 각도는 작지만 크기가 커서 반발력이 적어지는 2, 3주기 전위금속이 갖는 90° 사각형 형태가 있다. 리간드가 5개일 경우(5배위)는 삼각쌍뿔 구조를, 6개일 경우(6배위) 정팔면체 구조를 갖는다.(4) 착물의 배위결합을 설명하는 이론ⅰ) 원자가 결합이론 : 배우기 쉽고, 적용하기도 쉽지만 실제 분자와 잘 맞지 않는다.ⅱ) 결정장 이론 : 배우기도 적용하기도 적당히 쉬우며 실제 분자와도 적당히 잘 맞는다.ⅲ) 분자오비탈 이론 : 배우기 어렵고, 적용하기도 어렵지만 실제 분자와 잘 맞는다.(5) 결정장 이론(Crystal Field Theory)착물은 배위공유결합을 형성하지만 결정장 이론은 금속 이온과 리간드 사이의 결합을 이온결합 측면에서 설명한다. 이를 통해 결정장 이론이 실제 분자와 잘 맞지는 않음을 확인할 수 있지만 결정장 이론에서 사용되는 원리는 분자오비탈 이론과 상당히 유사하므로 그 부분에서 의의를 갖는다.결정장 이론의 가정 : 1)중심에 금속 양이온이 있고 그 주위에 리간드가 점전하로 존재한다. 2)금속 양이온과 음이온인 리간드 사이에는 정전기적 상호작용이 일어난다. 3)금속에 리간드가 결합할 때, 금속의 d 오비탈의 분리가 일어난다.d 오비탈 종류 및 모양은 다음과 같다.제곱의 궤도함수(와 )는 전자가 축 선상에서 이동하고 곱의 오비탈(dxy, dyz, dxz)은 전자가 축과 축 사이에서 돌아다니는데 위 5개의 d 궤도함수는 모두 금속 양이온이 있는 경우 축퇴되어 같은 에너지 준위 상에 존재한다.- 6배위 팔면체 착물리간드에는 비공유전자쌍이 있고 d궤도함수 내에도 전자가 존재하므로 축 선상에 존재하는 제곱의 오비탈은 리간드가 d궤도함수를 향해 접근해올수록 반발력이 증가한다. 그 결과 축퇴되어 있던 5개의 궤도함수에서 제곱의 궤도함수는 에너지적으로 불안정해지며 에너지 준위가 위로 올라가고 곱의 궤도함수는 그만큼 에 d-d 전이(splitting)라고 한다. eg 오비탈과 t2g 오비탈의 갈라지는 정도를 △o 또는 10Dq로 표시하며 금속 양이온의 결합이 강해 리간드가 더욱 가까이 접근할수록 △o의 크기는 증가한다.-4배위 사면체 착물6배위 팔면체 착물과 다르게 4배위 사면체 착물에서는 리간드가 축과 축 사이에 존재하며 5개의 궤도함수 중 곱의 궤도함수와 상호작용을 이룬다. 따라서 곱의 오비탈은 불안정해지면서 에너지 준위가 다음과 같이 올라가게 되고 제곱의 궤도함수는 그만큼 상대적으로 안정화된다. eg 오비탈과 t2g 오비탈의 갈라지는 정도를 △t로 표시하는데 이때△t=△o이다. 이는 팔면체의 경우, 리간드가 6개이므로 d 궤도함수와의 상호작용이 많이 일어나고 리간드가 축 선상에서 다가와 d 궤도함수와 직접적으로 부딪쳐 팔면체의 d-d 전이는 사면체의 d-d 전이보다 더 많이 일어나기 때문이다. 추가적으로 4배위 사면체의 90%는 약한 장에 해당한다는 특징을 갖는다.(6) 분광학적 계열(spectrochemical series)리간드 장의 세기가 증가하는 순서강한 장 리간드의 경우, 오비탈의 분열이 커서 pairing energy < 10Dq 이므로 전자가 쌍을 이루어 저스핀((low spin)을 보인다. 반면 약한 장 리간드의 경우는 오비탈의 분열이 작아 pairing energy > 10Dq 이므로 전자가 에너지 준위가 높은 쪽으로 이동하여 고스핀을 보인다. 위 그림에서 NH3를 포함한 오른쪽은 강한 장을 형성하고 NCS-를 포함한 왼쪽은 약한 장을 형성한다.(7) 코발트 Cobalt(Ⅱ)Co2+의 전자배치는 [Ar]3d7으로 d7 이온이며 팔면체와 사면체 둘 다 존재한다.(8) mimt (2-mercapto-1-methylimidazole)mimt는 황(S)과 질소(N)로 이루어진 헤테로 고리 화합물로 S와 N 모두 금속 양이온의 리간드로 작용할 수 있어 한 가지 이상의 방법으로 전이금속에 결합하는 ambidentate 특성을 갖는다.(9) Tautomerism(토조식이 다른 두 가지 종류의 이성질체가 평형을 이루며 혼합되어 있는 상태가 지속되는 것으로 양성자와 이중결합의 이동이 나타난다.(10) IR 스펙트럼 (mimt)mimt의 IR spectrum#시약 및 기구ⅰ) 시약 : Cobalt(Ⅱ) nitrate hexahydrate, 2-Mercapto-1-methylimidazole(mimt), Triethyl orthoformate, Ethyl acetate-Cobalt(Ⅱ) nitrate hexahydrate : 산화제로 화재를 강렬하게 하고 삼킬 시 유해하다. 알레르기성 피부 반응을 일으킬 수 있으며 눈에 심한 자극을 일으키고 암을 일으킬 것으로 의심된다.-2-Mercapto-1-methylimidazole(mimt) : 눈에 심한 자극을 일으킨다.-Ethyl acetate(C4H8O2) : 무색의 액체, 분자량 88.11g/mol, 끓는점은 77.15℃로 고인화성 액체 및 증기로 눈과 호흡기계에 자극을 일으킨다.-Triethyl orthoformate(C7H16O3) : 분자량 148.2 g/mol 인화성 액체 및 증기, 흡입 시 유해하다.ⅱ) 기구 : Magnetic stirring hot plate, 10-mL Erlenmeyer flask 2개, 10-Ml 둥근 바닥 플라스크, Keck clip, Magnetic stirring bar, sand bath, water condenser, CaCl2 drying tube, ice-water bath, Hirsch funnel, Pasteur pipet, clay tile, filter paper#실험 방법A. Co(mimt)4(NO3)2∙H2O 합성① 10-mL 삼각 플라스크에 3.5mL Ethanol과 190μL triethyl orthoformate를 섞어 반응의 용매로 준비② 10-mL 둥근 바닥 플라스크에 마그네틱 바 넣고 2.5mL ①용매로 73mg (0.25mmol) hydrated cobalt(Ⅱ) nitrate를 용해③ Pasteur 피펫으로 (1 mmol)의 mimt 넣음④ CaCl2 drying tube가 달린 물 응축기를 Keck clip 이용해 둥근 바닥 플라스크에 부착 후, 핫 플레이트 위에 sand bath 두고 기구 고정시킴⑤ 30분 동안 혼합물 환류시키며 가열 및 교반⑥ Pasteur 피펫으로 뜨거운 ⑤용액을 끓임쪽이 든 10-mL 삼각 플라스크에 옮김⑦ 모래 중탕에서 가열하며 부피를 10% 줄임(후드에서)⑧ ⑦용액을 실온에서 냉각하고 얼음 중탕에서 더 냉각⑨ 초록 에메랄드 결정을 Hirsch 깔대기 이용해 흡입 여과로 모으고, 찬 에탄올 1 mL로 씻어냄⑩ 여과지 또는 clay tile에서 생성물 건조⑪ 50℃ 진공 (16mm) 상태에서 30분 동안 건조 후 무게 재고 수득율 구함B. Co(mimt)2(NO3)2 합성① 10-mL 삼각 플라스크에 3.5mL ethyl acetate와 190 μL triethyl orthoformate를 섞어 반응의 용매로 준비② 10-mL 둥근 바닥 플라스크에 마그네틱 바 넣고 2.5mL ①용매로 73mg (0.25mmol) hydrated cobalt(Ⅱ) nitrate를 용해③ Pasteur 피펫으로 같은 용매 1.25 mL에 55 mg (0.5 mmol)의 mimt 넣음④ CaCl2 drying tube가 달린 물 응축기를 Keck clip 이용해 둥근 바닥 플라스크에 부착 후, 핫 플레이트 위에 sand bath 두고 기구 고정시킴⑤ 30분 동안 혼합물 환류시키며 가열 및 교반⑥ Pasteur 피펫으로 뜨거운 ⑤용액을 끓임쪽이 든 10-mL 삼각 플라스크에 옮김⑦ 모래 중탕에서 가열하며 부피를 10% 줄임(후드에서)⑧ ⑦용액을 실온에서 냉각하고 얼음 중탕에서 더 냉각⑨ 어두운 파란색 결정을 Hirsch 깔대기 이용해 흡입 여과로 모으고, 찬 에탄올 1 mL로 씻어냄⑩ 여과지 또는 clay tile에서 생성물 건조⑪ 무게 재고 수득율 구함#참고 문헌무기화학실험 Thione Complexes of Cobalt(Ⅱ) Nitrate Hexahydr제 4판

자연과학| 2022.03.20| 3페이지| 2,500원| 조회(264)

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[무기화학실험] Fluorescent Chemosensor 형광 변화 화학센서 - 이론보고서

Fluorescent Chemosensor (형광 변화 화학센서)#실험목적필수적이지만 정도 이상의 농도가 흡수될 경우 인체 및 자연에 해가 될 수 있는 화학물질들의 특징을 알아보고, 물질이 그 농도 이상 포함되어 있는지 감지할 수 있는 형광 화학센서를 합성한다.#실험이론(1) 인체에 해가 될 수 있는 물질들① 알루미늄 이온(Aluminum ion)알루미늄은 가볍고 높은 연성을 가지며 다양한 모양으로 변형될 수 있어 일상 속 많은 물건들의 주요 재료로 쓰인다. 그러나 알루미늄을 함유한 물건을 빈번히 사용하다 보면 인체에 알루미늄 이온(Al3+)이 쌓이게 되는데 적정량 이상의 농도가 인체에 흡수될 경우 알츠하이머, 파킨슨 등의 치매 질환이 발현될 확률이 높아진다. 또한 이는 자연에 배출될 경우 환경 오염을 일으킬 수도 있기 때문에 적당량 이상은 함유되지 않도록 감지할 수 있는 화학센서가 필요하다.② 아연(Zn)아연은 생체 내에서 가수분해 반응의 촉매 작용을 일으키며 gene expression에 중요한 역할을 하기 때문에 필수 미네랄에 해당하지만 과량으로 존재할 경우 알츠하이머와 치매 등의 노화성 질환과 유아 설사증 등을 일으킬 수 있고 자연에 배출될 시에는 환경 오염을 유발할 수 있다. 아연은 2+의 산화수를 선호하는데 이때 d궤도함수는 전자 10개로 모두 채워져 있기 때문에 d-d전이가 일어날 수 없어 색을 가지지 않는다. 즉 아연의 99%는 무색을 가지므로 색 변화 화학센서를 이용할 수 없어 형광 변화 화학센서를 이용해야 한다.(2) 분석 방법앞서 말한 이온들을 검출하는 데에는 다양한 방법들이 존재한다 : (ⅰ)원자흡수/방출 분광학, (ⅱ)전기화학적 방법, (ⅲ)기체/액체 크로마토그래피 (유도 결합된 플라즈마 질량 분석법), (ⅳ)형광 분석법, (ⅴ)자외선-가시광선 분광법(비색법)(ⅰ), (ⅱ), (ⅲ)의 기존의 분석법들은 우선 사용방법이 복잡하고 기구가 정교해 사용에 있어서 전문성이 요구되며 민감도와 선택성이 낮고 가격이 비싸다는 단점을 지닌다. 물론 (ⅳ행할 수 있다는 장점을 지닌다.(3) 화학센서의 필수 요소(ⅳ), (ⅴ)의 방법들은 페놀을 가진 시프 염기(Schiff-base) 유기분자를 이용할 필요가 있다.시프 염기(Schiff-base)는 C, N 이중결합(-C=N-)을 말한다. 이는 N의 비공유전자쌍을 제공함으로써 금속 양이온과 배위 결합을 형성하기 유리하고 (금속 양이온에 대한 좋은 리간드), 음이온이 C, N 이중결합을 쉽게 끊을 수 있어 음이온에 대한 좋은 결합 자리를 지니고 있기 때문에 시프 염기는 양이온, 음이온 모두에 결합하기 좋다.페놀은 벤젠 고리에 하이드록실기가 결합된 화합물이다. 하이드록실기의 산소 원자가 금속 양이온에게 비공유전자쌍을 제공함으로써 배위 결합을 형성할 수 있고(금속 양이온에 대한 좋은 리간드), 하이드록실기의 수소 원자가 전자가 많은 음이온들과 수소 결합을 형성하기 유리해 음이온에 대한 양성자 공여체 역할을 수행하므로 페놀은 양이온, 음이온 모두에 결합하기 좋다. 게다가 수소가 음이온과 결합할 경우 하이드록실기(OH)는 산소 음이온(O-)이 되는데 이는 좋은 발색단이자 형광체에 해당한다. 추가적으로 Al(알루미늄)은 산화수가 높고 크기가 작기 때문에 산소와 결합하기를 선호하는 oxophilic의 특성을 가지므로 페놀은 이에 좋은 역할을 수행한다.(4) 대표적인 형광체(Fluorophore)대표적인 형광체로는 그림과 같이 페놀기에 알데하이드가 붙은 물질, 줄로리딘(Julolidine) 혹은 아닐린을 포함한 물질들이 있다. 이들은 물에 대한 용해도가 높으므로 Bio-Imaging, 즉 생체 내의 물질을 검출하는데 유리하다는 장점을 갖는다.(5) 화학센서와 검출 메커니즘A. Al3+에 대한 센서1의 형광 선택성센서1은 페놀기를 가진 시프 염기로 유기용매에서 CN-가 센서1에 결합하면 위와 같은 녹색의 형광 변화를 보이지만 이는 ‘물’에 녹은 것이 아니므로 Bio-Imaging을 위해 용매를 바꿔볼 수 있다.용매를 buffer : 메탄올 = 1 : 1로 두고 여러 금속 양이온 된다.검출 메커니즘을 알아보기 위해 분광학 실험을 진행해보면 Job plot과 ESI-mass를 통해 알루미늄 이온과 센서가 1:1로 반응한다는 사실을 알 수 있고, 여러 pH 하에서 실험을 진행해보면 센서1이 pH 5~7 사이에서 좋은 형광을 보이므로 센서1은 생체(pH 7)에도 적용하기 좋다는 사실을 확인할 수 있다. 센서1은 구리, 철, 인듐이 있는 경우에는 경쟁 반응으로 방해를 받을 가능성이 존재하지만 인듐은 실생활에 자주 사용되지 않으니 생체에도 존재하는 구리와 철을 주의하도록 한다.센서1의 생체 반응 정도를 알아보기 위해 HeLa cells에 센서1과 0, 20, 50, 100 μM의 Al(NO3)2을 첨가해보면 알루미늄의 농도가 높아질수록 초록색 형광이 나타남을 손쉽게 확인해볼 수 있다.B. Al3+에 대한 센서2의 형광 선택성센서1은 물100%인 용매를 사용하지 못하기 때문에 물에 대한 용해도가 높은 줄로리딘이 있는 센서2를 다음과 같이 합성해볼 수 있다. 센서1과는 다르게 buffer 용매에서도 용해되는 센서2는 Al3+와 1:1로 결합하며 Al3+에만 선택적으로 형광 변화를 보이긴 하지만 구리, 철과 함께 있을 때는 알루미늄을 검출하는데 방해를 받을 수도 있다. WHO에서는 식수 내 Al3+의 농도가 7.4 ⅹ 10-6 M 이하임을 권고하는데 센서2의 검출한계는 0.13 ⅹ 10-6 M로 권고량의 70% 이하까지도 검출할 수 있어 좋은 센서로 확인된다. 센서2도 HeLa cells로 Bio-Imaging을 진행해보면 농도가 증가할수록 녹색 형광을 강하게 띄는데 심지어는 알루미늄의 농도가 1 μM에서조차도 검출할 수 있다는 특징을 지닌다.용매를 buffer에서 methanol로 바꾸면 알루미늄이 아닌 갈륨에 대한 센서2의 선택성이 높게 확인되고 ESI-mass를 통해 갈륨과 센서2가 1:1로 결합함을 알 수 있다. 또한 이는 검출한계가 0.1 ⅹ 10-6 M이므로 Ga3+을 상당히 낮은 농도까지 검출할 수 있다.C. Al3+에 대한 센서3의 야만 용해된다. ESI-mass를 통해 센서3이 Al3+와 1:1로 반응한다는 사실을, 경쟁반응을 통해서는 Fe2+, Fe3+, Cr에 의해 방해받을 수 있다는 사실을 확인할 수 있다. 게다가 센서3의 검출한계는 0.1 ⅹ 10-9 M로 굉장히 낮은 농도까지 Al3+을 검출할 수 있다는 특징을 갖는다. 용매에 buffer도 포함되므로 HeLa cells를 이용해 Bio-Imaging을 진행해보면 센서3이 생체 내에서 Al3+와 결합하여 푸른 형광을 띄고, 센서와 결합 시 생체 내 세포에 독성을 일으키지 않는다는 사실을 확인할 수 있다.D. Al3+에 대한 센서4의 형광 선택성센서4는 물에 대한 용해도가 높은 아닐린을 가지지만 센서3과 마찬가지로 buffer 자체가 아닌 buffer : MeOH = 1 : 1 용매에서 융해된다. Al3+와 2:1로 결합하는 센서4는 알루미늄에만 선택적으로 반응하고 검출한계는 2.9 ⅹ 10-7 M로 상당히 좋은 센서에 해당하지만 Fe2+와 Cu2+에 의해 방해받을 가능성은 존재한다. Bio-Imaging을 위해 HeLa cells에 센서와 각기 다른 농도의 Al3+을 넣어 확인해보면 센서4는 알루미늄 200 μM에서 눈에 띄는 형광 변화를 보이기에 다른 센서들에 비해 감도가 다소 떨어지지만 생체 내에 독성은 거의 일으키지 않는다.(6) 형광 반응 메커니즘A. CHEF (Chelation Enhanced Fluorescence)두 자리 이상의 리간드가 중심 금속 원자와 배위 결합하여 고리 모양을 이룬 착화합물을 킬레이트라고 하고 킬레이트화(chelation) 함으로써 형광이 증가된 상태를 CHEF라고 한다. 빛을 흡수한 물질은 바닥 전자상태에서 들뜬 전자상태로 전이되는데, 들뜬 전자상태의 분자는 진동이완과 같은 비복사 과정을 거치며 들뜬 전자상태의 바닥 진동상태로 내려오고 여기에서 여분의 에너지를 빛(광자)의 형태로 방출하며 바닥 전자상태로 되돌아간다. 이때 방출되는 빛을 형광이라고 하는데, 착화합물을 이루기 전 즉 리간드 자체만s에서 cis로 회전하며 들뜬 전자상태의 바닥 진동상태로 내려오고 여기에서 여분의 에너지를 형광으로 방출하며 바닥 전자상태로 되돌아가는데 이때의 형광은 그 세기가 다소 약하다. 하지만 이민(imine)이 금속과 결합하면 빛을 흡수하더라도 이중결합이 cis로 회전하지 못하기 때문에 에너지 손실이 적어져 금속과 결합하기 전보다 형광이 강하게 나타나는데, 이를 C=N isomerization에 의해 blocking된다고 한다.C. ESIPT(Excited State Intramolecular Proton Transfer)H-C-C=O형의 수소원자가 반응 활성으로 프로톤으로서 산소원자에 이행하고 동시에 이중결합의 위치가 변하여 C=C-O-H형 구조의 이성질체로 변하는 상호 변이성 현상을 케토-엔올 상호 변이성(keto-enol tautomerism)이라고 한다. 케토, 엔올과 같은 물질이 빛을 흡수하여 들뜬 전자 상태로 전이되면 tautomerism을 반복하며 열손실이 일어나기 때문에 바닥 전자상태로 돌아가면서 방출하는 형광은 그 세기가 다소 약하다. 하지만 금속 양이온과 결합하게 되면 blocking으로 인해 tautomerism이 발생하지 않아 열손실이 적어지므로 형광의 세기가 커지는데, 이를 ESIPT라고 한다.#시약 및 기구ⅰ) 시약 : St1, St2, 에탄올, THB, 에터, 금속 이온들-에테르(ether) : 2개의 작용기가 산소 원자 하나로 연결된 화합물로 화학식은 R-O-R’이다.-에탄올(C2H6O) : 끓는점 78℃, 녹는점 -114℃의 무색의 휘발성 액체로 눈과 호흡기계에에 심한 자극을 일으킬 수 있고 암을 유발할 수 있다.ⅱ) 기구 : 교반기, 바이알, 피펫, magnetic stirring bar, 삼각 플라스크, 유리막대#실험 방법A. 화학센서 합성① St1 (1 mmol)을 10 mL 에탄올에 용해시킨다.② St2 (1 mmol)을 St1 용액에 첨가한다..③ 반응 용액을 24시간 동안 교반한다.④ 백색 분말이 형성되면 이를 에터와 에탄올로에테르

자연과학| 2022.03.20| 3페이지| 2,500원| 조회(172)

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[무기화학실험] Colorimetric Chemosensor 색 변화 화학센서 - 이론보고서

Colorimetric Chemosensor (색 변화 화학센서)#실험 목적필수적이지만 정도 이상의 농도가 흡수될 경우 인체 및 자연에 해가 될 수 있는 화학물질들의 특징을 알아보고, 물질이 그 농도 이상 포함되어 있는지 색을 통해 감지할 수 있는 화학센서를 합성한다.#실험 이론(1) 인체에 해가 될 수 있는 물질들① 알루미늄 이온(Aluminum ion)알루미늄은 가볍고 높은 연성을 가지며 다양한 모양으로 변형될 수 있어 일상 속 많은 물건들의 주요 재료로 쓰인다. 그러나 알루미늄을 함유한 물건을 빈번히 사용하다 보면 인체에 알루미늄 이온(Al3+)이 쌓이게 되는데 적정량 이상의 농도가 인체에 흡수될 경우 알츠하이머, 파킨슨 등의 치매 질환이 발현될 확률이 높아진다.② 철(Fe)인체 내 철분이 부족할 경우, 당뇨, 빈혈 및 신경계 질환 등이 유발될 수 있기에 철은 몸에 꼭 필요한 성분이지만 과량으로 존재할 경우 다음과 같이 O2 혹은 H2O2와 반응함으로써 활성 산소를 발생시켜 질병 유발 및 노화의 원인이 될 수 있다.Fe2+ + O2 → Fe3+ + O2-2O2- + 2H+ → H2O2 + O2Fe2+ + H2O2 → HO- + HO- + Fe3+또한 철은 다양한 물건의 중요한 금속으로 사용되지만 자연에 배출될 경우 환경 오염을 일으킬 수 있어 적당량 이상이 함유되지 않도록 감지할 수 있는 화학센서가 필요하다.③ 사이안화 이온(CN-)사이안화 이온은 금 채굴, 전기 도금, 고분자 생성 등 다양한 산업 분야에서 사용된다. 하지만 CN-가 가진 맹독성의 성질은 사람을 죽음에 이르게 할 수 있어 WHO는 식수에서의 CN- 농도를 2μM 이하로 권고하고 있고 자연에 배출될 경우 이는 상당히 위험한 환경 오염을 일으킬 수도 있다.(2) 분석 방법앞서 말한 이온들을 검출하는 데에는 다양한 방법들이 존재한다 : (ⅰ)원자흡수/방출 분광학, (ⅱ)전기화학적 방법, (ⅲ)기체/액체 크로마토그래피 (유도 결합된 플라즈마 질량 분석법), (ⅳ)형광 분석법, (ⅴ)자외선-가시광선 분광법(비색법)(ⅰ), (ⅱ), (ⅲ)의 기존의 분석법들은 몇 가지 단점을 지니고 있는데 우선 사용방법이 복잡하고 기구가 정교해 사용에 있어서 전문성이 요구된다. 또한 민감도와 선택성이 낮고 가격이 비싸다. 물론 (ⅳ), (ⅴ)의 방법들도 단점을 지니고 있지만 위 방법들에 비해 비용이 저렴하고 샘플 준비가 간단하며 민감도와 선택성이 높다는 장점을 지닌다. 게다가 색 변화를 관찰하기 때문에 전문성이 없더라도 그 변화를 감지하기 쉬우며 이는 생명체 내 이온들을 감지하는 데에도 적합하다.(3) 페놀기(Phenol group) & 시프 염기(Schiff-base)이온 검출을 위한 화학센서는 페놀기를 갖는 시프 염기(Schiff-base) 유기분자를 이용할 필요가 있다.시프 염기(Schiff-base)는 C, N 이중결합(-C=N-)을 말한다. 이는 N의 비공유전자쌍을 제공함으로써 금속 양이온과 배위 결합을 형성하기 유리하고 (금속 양이온에 대한 좋은 리간드), 음이온이 C, N 이중결합을 쉽게 끊을 수 있어 음이온에 대한 좋은 결합 자리를 지니고 있기에 시프 염기는 양이온, 음이온 모두에 결합하기 좋다.페놀은 벤젠 고리에 하이드록실기가 결합된 화합물이다. 하이드록실기의 산소 원자가 금속 양이온에게 비공유전자쌍을 제공함으로써 배위 결합을 형성할 수 있고(금속 양이온에 대한 좋은 리간드) 하이드록실기의 수소 원자가 전자가 많은 음이온들과 수소 결합을 형성하기 유리해 음이온에 대한 양성자 공여체 역할을 수행하므로 페놀은 양이온, 음이온 모두에 결합하기 좋다. 게다가 수소가 음이온과 결합할 경우 하이드록실기(OH)는 산소 음이온(O-)이 되는데 이는 좋은 발색단이다.(4) 발색단(Chromophore)염료나 색소의 발색의 원인이 되는 유기화합물에 포함된 원자단으로 불포화 결합이 들어 있어 π전자가 에너지를 흡수하여 들뜨면서 색이 나타나게 된다. 이때 불포화 결합이 많을수록 HOMO와 LUMO의 에너지 준위 차이는 적어지고 그에 따라 파장은 길어져 흡수파장은 장파장으로 이동하게 된다.하지만 우리 눈에 보이는 색은 흡수파장의 색이 아니라 그 파장의 보색이다. 예를 들어 물체가 빨간색의 파장을 흡수할 경우 그 외 나머지 파장의 빛을 반사하기 때문에 빨간색의 보색인 녹색이 눈에 보이게 된다.(5) 화학센서A. CN-에 대한 센서1의 비색 선택성센서1은 페놀기를 가진 시프 염기이다. UV-vis 분광법으로 확인했을 때 이는 본래 무색에 해당하지만 위와 같이 CN-와 결합할 경우 노란색을 띄게 된다.CN- 외 다른 음이온들이 용액 내에 존재할 경우 그 이온들은 경쟁 반응을 통해 CN-와 센서1의 반응을 방해할 수도 있다. 그러나 위 사진을 살펴보면 다른 음이온이 함께 존재함에도 다른 색 변화가 없음을 알 수 있고 이를 UV로 관찰해보아도 다른 음이온들이 센서1과 CN-의 결합에 아무런 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 센서1은 CN-만을 선택적으로 검출할 수 있는 좋은 화학센서에 해당한다.B. CN-에 대한 센서2의 비색 선택성불포화 결합이 많을수록 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 준위가 감소하므로 센서1에 벤젠고리가 하나 더 붙은 센서2를 위와 같이 합성해볼 수 있다. 이렇게 합성된 센서2는 CN-와 결합할 경우 노란색에서 주홍색으로 변화한다. 또한 센서2도 UV 그래프와 UV-vis 분광을 통해 확인할 수 있듯이 다른 음이온과는 반응하지 않으므로 센서2도 CN-만을 선택적으로 검출할 수 있는 좋은 화학센서에 해당한다는 사실을 알 수 있다.C. Cu2+에 대한 센서3의 비색 선택성센서2에 페놀기가 하나 더 붙은 센서3을 위와 같이 합성할 수 있다. 이는 센서1, 2와 달리 음이온에는 별다른 반응을 보이지 않지만 다양한 금속 이온과 반응시켜보면 Cu2+가 들어있는 용액에서는 노란색에서 푸른색으로 변화한다는 사실을 확인할 수 있다. 따라서 센서3은 Cu2+를 선택적으로 검출할 수 있는 좋은 화학센서이다.D. Cr3+에 대한 센서4의 비색 선택성센서1, 2, 3과 달리 센서4는 퀴놀린을 가지고 있는데 이는 상당히 좋은 발색단이고 질소 원자의 비공유전자쌍을 통해 금속 양이온에 결합하기도 유리해 센서가 좋은 리간드로서의 역할을 하도록 도와준다. 이러한 퀴놀린이 붙은 센서4는 위와 같이 다양한 금속 이온 중에서도 Cr3+에만 선택적으로 반응하므로 Cr3+에 대한 좋은 화학센서이다.E. Co에 대한 센서5의 비색 선택성센서5는 센서4의 납톨 대신 줄로딘이 붙는데 이는 가격이 조금 비싸긴 하지만 좋은 발색단이고 물에 잘 융해된다는 장점을 지니고 있어 다양한 분야에서 이온 검출로 사용되기 용이하다. Co2+ 하나에 센서5 2개가 결합함으로써 용액은 노란색에서 주황색으로 변화하는데 이는 pH 4~11까지는 문제없이 반응될 수 있고 위와 같이 그 외 다른 이온과는 반응하지 않으므로 Co2+만을 선택적으로 검출할 수 있는 좋은 화학센서에 해당한다.#시약 및 기구ⅰ) 시약 : cystamine, 메탄올, CNBA, 수산화나트륨, 에터, 에탄올, 여러 금속 이온 물질-시스타민(cystamine) : 화학식 C4H12N2S2, 분자량 152.28 g/mol로 피부에 자극을 일으킬 수 있고 장기간 노출되면 간 손상을 일으킨다.-메탄올(CH3OH) : 무색 액체, 분자량 32.04 g/mol로 눈과 호흡기에 자극을 일으킨다. 또한 장기간 또는 반복 노출되면 중추신경계, 시각기에 손상을 일으킬 수 있고 졸음 또는 현기증을 유발할 수 있다.-수산화나트륨(NaOH) : 끓는점 1388℃, 녹는점 318℃, 밀도 2.13 g/cm3로 금속을 부식시킬 수 있고 피부와 눈에 심한 화상을 일으킬 수 있다.-에테르(ether) : 2개의 작용기가 산소 원자 하나로 연결된 화합물로 화학식은 R-O-R’이다.-에탄올(C2H6O) : 끓는점 78℃, 녹는점 -114℃의 무색의 휘발성 액체로 눈에 심한 자극을 일으킬 수 있고 암을 유발할 수 있다.ⅱ) 기구 : UV-vis spectroscopy, 교반기, 바이알, 피펫, magnetic stirring bar, 삼각 플라스크, 유리막대#실험 방법A. 화학센서 합성① St1 (1 mmol)을 10 mL 메탄올에 용해시킨다.② NaOH 용액을 St1에 첨가하여 HCl을 제거한다.③ St2 (2 mmol)을 St1 용액에 첨가한다.④ 반응 용액을 24시간 동안 교반한다.⑤ 황색 분말이 형성되면 이를 에터와 에탄올로 세척한다.B. 선택성 확인① 각 바이알에 용매 3mL와 센서 10μL를 넣는다.② 대조군을 제외한 바이알에 각기 다른 금속 양이온을 6μL씩 넣는다.③ 골고루 섞어준 다음 색변화를 관찰한다.#참고 문헌무기화학실험 Colorimetric chemosensor 강의 자료네이버 – 지식백과 - 화학백과 – 에탄올, 에테르네이버 – 지식백과 – 화학대사전 – 수산화나트륨구글 – 위키피디아 – 메탄올, 시스타민,MSDS – 시약 위험성

자연과학| 2022.03.20| 3페이지| 2,500원| 조회(270)

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[무기화학실험] The Oxidation States of Tin 주석의 산화상태 - 이론보고서

The Oxidation States of Tin#실험 목적주석의 산화상태와 특징을 알아보고 요오드화 주석(Ⅳ), (Ⅱ)을 합성한다.#실험 이론1) 주석(Tin)주석은 원소기호 Sn, 원자번호 50, 주기율표의 14족, 5주기에 위치하는 금속 원소로 원자량은 118.71, 전기음성도는 1.8, 녹는점과 끓는점은 각각 505.1K, 2543K이며 +2와 +4의 산화상태를 갖는다.2) 14족 원소주석과 같은 14족 원소로는 C, Si, Ge, Pb가 있다.이들은 모두 ns2 np2 최외각 전자배치를 가지며 p 궤도함수에 존재하는 홀전자로 두 개의 공유결합을 형성할 수 있다.s 궤도함수에 있는 두 전자는 p 궤도함수에 존재하는 전자들 보다 핵에 더 큰 에너지로 묶여 있어 결합에 덜 관여하므로 공유결합을 형성할 수 없는데 이와 같이 최외각의 s오비탈의 전자 두 개가 공유되지도 이온화되지도 않고 그대로 남는 현상을 비활성 전자쌍 효과(Inert pair effect)라고 한다. 이 효과로 인해 전이 후 금속에 서 같은 족의 가벼운 원소에 비해 산화수가 2 작은 상태가 무거운 원소에서 나타나기 때문에 위 경우 주석의 산화수는 +2가 된다.하지만 승진에너지를 흡수하여 들뜬 상태로 변화하게 되면 s 오비탈 내 전자가 승진하게 되어 최외각 전자배치는 ns np3 가 되고 이에 혼성화가 이루어지면 4개의 sp3 혼성 오비탈을 형성하게 된다. 이렇게 전자의 승진이 이루어진 경우에는 4개의 원자궤도함수를 사용해서 4개의 혼성궤도함수를 만들어 결합을 형성하므로 이때 산화수는 +4가 된다.3) sp3 혼성 orbitalsp3 혼성 궤도함수를 만드는데 영향을 미치는 요소는 다음과 같다.① 승진 에너지: s 오비탈에 있는 전자가 p 오비탈로 올라감으로써 들뜬 상태가 형성되는데 소모되는 에너지로 승진 에너지가 적을수록 sp3 혼성 궤도함수를 형성하는데 유리하다.② 혼성화 에너지: s 궤도함수와 p 궤도함수가 sp3 혼성 궤도함수를 만드는데 요구되는 에너지로 이 또한 적을수록 유리하다.③ 혼혼성 궤도함수를 이용해 공유결합이 이루어질 경우 방출되는 에너지로 이는 에너지적으로 이득이 되므로 클수록 유리하다.①, ②는 에너지를 소모하므로 투자 개념이고 ③을 통해서는 에너지 이득을 얻을 수 있으므로 이는 회수 개념이다. 결국 이 3가지 에너지를 모두 고려하였을 때 이득이 될 경우 sp3 혼성 궤도함수를 만들게 되고 손해가 될 경우에는 sp3 혼성 궤도함수를 형성하지 않고 p 궤도함수에 존재하는 홀전자 2개를 이용해 결합에 참여하게 된다.4) 산화수(oxidation number)산화수란 하나의 물질 내에서 전자 교환이 완전히 일어났다고 가정하였을 때 물질을 이루는 특정 원자가 갖게 되는 전하수이다. 많은 원소들이 다수의 산화수를 가지는데 주석의 경우 +2와 +4를 갖는다.A. (Ⅳ) 산화상태의 조건 (sp3 혼성 궤도함수 이용) 크기가 작을수록 최외각 전자가 핵에 단단히 속박되어 있어 s 궤도함수에서 p 궤도함수로 승진하는데 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 크기가 작은 원소는 승진 에너지가 크다. 하지만 p 궤도함수에서 sp3 혼성 궤도함수로 바뀔 경우 전자쌍 간의 결합각이 넓어져 최외각 전자쌍 간의 반발력이 감소하므로 승진 에너지 일부가 상쇄될 수 있고 작은 오비탈 크기, 짧은 결합길이, 좋은 궤도 겹침으로 인해 결합에너지는 더욱 증가하므로 투자 대비 효율이 높아져 가벼운 원소는 sp3 혼성 궤도함수를 이용하기 유리하다.B. (Ⅱ) 산화상태의 조건 (p 궤도함수 이용)큰 원소는 핵과 전자 사이의 거리가 멀어 전자가 s 오비탈에서 p 오비탈로 승진하는데 필요한 에너지가 적으므로 전자 승진이 용이하다. 하지만 크기가 클수록 전자 분포가 넓어져 오비탈의 겹침이 약해지기 때문에 sp3 혼성 궤도함수를 이용한 결합 에너지는 작아진다. 따라서 무거운 원소는 전자 승진이 용이하나 결합 에너지가 작아 p 궤도함수를 이용하는 (Ⅱ) 산화상태의 화합물을 많이 형성한다.이를 바탕으로 14족 원소들의 선호 산화상태를 살펴보면 다음과 같다.크기가 작은 C, Si, Ge의합 시 방출되는 에너지) 이므로 sp3 혼성 궤도함수를 형성하여 4개의 결합을 형성한다, 즉 Ⅳ 산화상태를 선호한다.크기가 큰 Pb의 경우, (승진과 혼성 시 필요한 에너지) > (결합 시 방출되는 에너지) 이므로 혼성 궤도함수를 만들지 않고 2개의 p 궤도함수에 있는 홀전자를 이용하여 결합을 형성한다, 즉 (Ⅳ) 산화상태로 화합물을 형성한다.Sn의 경우, (승진과 혼성 시 필요한 투자 에너지) ≒ (결합 시 방출되는 회수 에너지) 이기 때문에 반응 조건에 따라 (Ⅱ) 산화상태 또는 (Ⅳ) 산화상태를 선호한다. (+4가 미세하게 유리)5) Sn의 합성A. Sn(Ⅳ)의 합성: 아이오딘(Ⅰ)과 같은 약한 산화제와의 직접 반응Sn2+(aq) + 2I-(aq) → SnI2B. Sn(Ⅱ)의 합성: 아이오딘화 아연과 염화주석(Ⅱ)의 복분해 반응Zn(s) + I2(s) → Zn2+(aq) + 2I-(aq)Sn(s) + 2HCl(aq) → Sn2+(aq) + 2Cl-(aq) + H2(g)Sn2+(aq) + 2I-(aq) → SnI2(s)6) 복분해 반응복분해 반응은 두 가지 화합물이 반응할 때 서로의 성분이 교환되어 새로운 두 종류의 화합물이 생성되는 화학 반응으로 앙금 생성 반응이나 중화 반응이 이에 해당한다.AB + CD → AD + CBex. ZnI2(aq) + SnCl2(aq) → ZnCl2(aq) + SnI2(s)#시약 및 기구Part A. 시약 및 기구ⅰ) 시약: 주석, 아이오딘, 염화메틸렌, 아연-주석(Sn): 14족 원소, 원자번호 50, 원자량 118.7 g/mol, 끓는점 2602℃, 녹는점 231.93℃으로 호흡기계자극을 일으킬 수 있고 장기간 또는 반복 노출되면 신체에 손상을 일으킨다.-아이오딘(I) : 할로겐족 원소, 원자번호 53, 원자량 126.9 g/mol, 끓는점 184.4℃, 녹는점 114℃으로 피부, 눈, 호흡기계에 자극을 일으키며 장기간 또는 반복 노출되면 신체에 손상을 일으키고 수생생물에 매우 유독하다.-염화메틸렌(CH2Cl2): 분자량는 용매로 주로 사용되며 피부, 눈에 자극을 일으키며 졸음 또는 현기증을 일으킬 수 있고 암을 유발할 수 있으며 장기간 또는 반복 노출 시 신체에 손상을 일으킨다.-아연(Zn): 원자번호 30, 원자량 65.38 g/mol, 끓는점 907℃, 녹는점 419.5℃로 공기에 노출되면 스스로 발화하고 물과 접촉 시 자연발화 가능한 인화성 가스를 발생시킨다. 또한 수생생물에 매우 유독하고 장기적인 영향에 의해 수생생물에게 매우 유독하다.ⅱ) 기구: Magnetic stirring hot plate, 10-mL 둥근바닥 플라스크, boiling stone, reflux condenser, Pasteur 피펫, 링 스탠드, glass funnel, 10-mL Erlenmeyer flask, Hirsch funnel, clay tile, filter paperPart B. 시약 및 기구ⅰ) 시약: 아연, 아이오딘, 염화메틸렌, 아연ⅱ) 기구: 3개의 10-mL 비커, watch glass, Magnetic stirring hot plate, Magnetic stirring bar, ice-water bath, Pastuer filter 피펫, Hirsch funnel, clay tile, filter paper#실험 방법Part A. Tin(Ⅳ) Iodine 제조① 주석 119 mg (1.00 mmol)과 아이오딘 475 mg (1.87 mmol)을 끓임쪽이 들어있는 10 mL 둥근 바닥 플라스크에 넣고 환류 냉각기를 설치한다.② 염화메틸렌 6.0 mL를 Pasteur 피펫으로 환류 냉각기를 통해 넣는다.③ 순환 환류가 유지될 때까지 물중탕으로 가열한다.(아이오딘 증기의 보랏빛이 보이지 않을 때까지 환류온도 맞춰서 유지한다)④ 유리 깔때기를 이용해 여과한 후, 여과액을 10 mL 삼각 플라스크에 옮긴다.⑤ 후드에서, 반응하지 않은 남아있는 주석을 따뜻한 염화메틸렌 200L로 세척 후, 여과하여 그 여과액을 실험 순서 ④의 플라스크에 모은다.⑥ 여과액이 든 플라스크에 끓임쪽.⑦ 실험순서 ⑥의 플라스크를 얼음 중탕에서 식힌다.⑧ Hirsch 깔때기를 이용해 감압 여과 후, 오렌지-레드의 요오드화주석(Ⅳ) 결정을 수집한다.⑨ 차가운 염화메틸렌 0.5 mL로 세척한 후 건조시킨다.⑩ 생성물의 녹는점 및 수득률을 계산한다.Part B. Tin(Ⅱ) Iodine 제조① 주석 80 mg (0.68 mmol)을 작은 조각으로 잘라 마그네틱 바가 있는 10 mL 비커에 넣는다.② 후드에서, 진한 염산 1 mL를 가하고, 0.1 M CuSO4 용액 2-3방울을 첨가한다.③ 시계접시로 비커를 덮고, 혼합물이 끓기 전까지 가열 및 교반한다. (이때 발생되는 수소 가스 주의) - 비커 1④ 다른 마그네틱 바가 들어있는 10mL 비커에 아연 100mg(1.53 mmol)과 증류수 1mL를 넣는다.–비커 2⑤ 요오드 결정 100 mg (0.4 mmol)을 비커2에 넣고 얼음 중탕에서 냉각하며 천천히 교반시킨다. (발열 반응이 일어나기 때문에 냉각하고, 갈색에서 노란색이 될 때까지 교반한다.) - 비커 2⑥ ZnI2 용액을 Pastuer filter 피펫을 이용해 다른 10 mL 비커로 옮긴다. (남은 ZnI2 완전히 옮기기 위해 증류수로 헹구고 같은 피펫으로 옮기는데 반응하지 않은 아연은 폐기한다.) - 비커3⑦ Sn-HCl 혼합물에 금속 주석이 남아있으면, HCl을 더 가하고 핫플레이트로 가열한다. - 비커 1⑧ 깨끗한 피펫으로 이 주석 용액을 비커 3에 한 방울씩 떨어뜨리며 옮긴다. - 비커 3⑨ 용액을 얼음 중탕으로 냉각시켜 침전을 완성시킨다. - 비커 3⑩ Hirsch 깔때기를 이용해 감입 여과 후 SnI2 결정을 수집한다.⑪ 수집된 결정을 다시 비커 3에 옮긴 후, 진한 HCl 2-3 방울을 첨가한다. - 비커 3⑫ 비커를 실온까지 식힌 후, 재결정이 완료될 때까지 찬 상태를 유지한다. - 비커 3#참고문헌무기화학실험 The Oxidation States of Tin 강의자료네이버 – 화학물질 구조사전 – 염화메틸렌네이버 – 화학원소 – 아연, 효과

자연과학| 2022.03.20| 3페이지| 2,500원| 조회(204)

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반응의 동역학 (Kinetics of a Reaction)

반응의 동역학(Kinetics of a Reaction)Key Words : 반응 속도, 반응속도 식, 속도 상수, 활성화 에너지, 촉매실험날짜 : 2019년 5월 29일Ⅰ. 서론화학 반응은 얼마나 빠르게 일어날까? 반응이 너무 느리면 실용적이지 않을 수 있고, 반응이 너무 빠르면 폭발 할 수도 있다. 반응 속도를 측정하고 제어함으로써 화학자 및 엔지니어는 항생제에서부터 비료에 이르기까지 다양한 제품을 안전하고 경제적인 방식으로 만들 수 있다. 반응 속도와 반응이 일어나는 과정을 연구하는 것은 동력학(kinetics)으로 알려져 있다.Ⅱ. 실험목표이 실험의 목적은 산의 존재 하에서 브롬산 이온에 의한 요오드화물 이온의 산화에 대한 총 속도 법칙을 결정하기 위해 미소 규모의 기술을 이용함으로써 반응 속도를 측정 할 수 있는 방법과 반응 조건이 반응 속도에 미치는 영향을 조사하는 것이다.Ⅲ. 원리 및 이론이 실험은 화학 반응의 동역학을 연구하기 위해 고안되었다. 이 반응은 산의 존재 하에서 브롬산염 이온에 의한 요오드화 이온의 산화를 포함한다:6I{}^{-}(aq) + BrO{}_{3}^{```-}(aq) + 6H{}^{+}(aq) → 3I{}_{2}(aq) + Br{}^{-}(aq) + 3H{}_{2}O(l) Equation 1반응은 실온에서 다소 느리다. 반응 속도는 반응물의 농도 및 온도에 의존한다. 반응 속도 법칙은 반응 속도를 반응물 농도와 관련시키는 수학적 표현이다. 반응 속도가 브롬산염 이온의 농도 감소율로 표현되면 속도 법칙은 다음과 같은 형식을 취한다.Rate ={- TRIANGLE [BrO _{3}^{`-} ]} over {TRIANGLE t} = k[I{}^{-}]{}^{x}[BrO{}_{3}^{```-}]{}^{y}[H{}^{+}]{}^{z} Equation 2여기서 대괄호는 표시된 종의 몰 농도를 나타낸다. 속도는 브롬산염 이온의 농도 변화 -TRIANGLE [BrO{}_{3}^{```-}]를 반응이 일어나는 시간의 변화TRIANGLE t로 물질이다. 촉매는 반응의 전체 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 증가시킴으로써 작동한다.실험은 소비되는 반응물의 양이 존재하는 총량에 비해 적도록 설계되어 있다. 이는 반응물의 농도가 반응 중에 거의 변하지 않기 때문에 반응 속도가 이 시간 동안 거의 일정하다는 것을 의미한다.위와 같은 요인을 포함하여 속도에 영향을 주는 요소들을 다음과 같이 정리해 볼 수 있다.1) 고체의 표면적화학반응이 일어나기 위해서는 반응물질 사이에 충돌이 일어나야 한다. 고체를 구성하는 입자들은 고체를 떠나 자유롭게 움직일 수 없기 때문에 고체와 액체나 고체와 기체가 반응하는 경우에는 액체 분자나 기체 분자가 운동하여 고체와 충돌함으로써 반응이 일어난다. 이때 고체의 표면이 크면 클수록 충돌 가능성이 커지기 때문에 반응속도도 빨라진다. 액체나 기체의 반응에서는 더 이상 쪼개질 수 없는 상태로 매우 잘게 쪼개져 있기 때문에 반응속도에 대한 표면적의 영향을 거론하는 것은 의미가 없다.2) 농도반응물질의 농도가 증가할수록 단위 부피당 분자 수가 증가하여 충돌 횟수가 많아진다. 충돌 횟수가 많아짐에 따라 유효충돌도 증가하므로 반응속도가 빨라진다. 물질의 상태에 따라 고려해 보면 고체의 경우 표면적이 클수록 충돌 횟수가 증가하므로 입자의 크기가 작을수록 반응속도가 증가한다. 기체의 경우 압력의 증가는 농도의 증가와 같은 효과를 나타낸다. 그러므로 반응물질 사이의 충돌수는 반응물질 입자의 수가 많을수록 커지게 되므로 반응속도는 반응물질 입자 수 즉, 농도가 클수록 커진다.3) 온도온도가 높아지면 활성화 에너지에 도달하는 분자 수가 많아지게 된다. 따라서 이 분자들이 충돌할 경우 화학 반응이 쉽게 일어나므로 반응속도가 증가한다. 온도 상승에 대한 반응속도의 증가는 운동속도의 증가보다는 반응물질이 충돌하여 반응을 일으킬 수 있는 입자수의 증가로 설명이 가능하다. 반응물질 입자가 충동하여 반응을 일으킬 수 있는 것은 활성화 에너지보다 큰 에너지를 가져야 한다. 그렇지 않으면 입자들이 근접할 때 전자의 자연 대수 도표는 직선 그래프를 나타낸다. 그래프의 기울기는 -E/R입니다. 기울기를 결정함으로써, 활성화 에너지가 계산 될 수 있다.Part 4. 촉매가 반응 속도에 미치는 영향을 관찰한다. 사용된 촉매는 질산구리(Ⅱ) 용액이다.Ⅳ. 기구 및 시약A. 실험 기구0.001g 또는 0.0001g 정확도의 저울, 비커(10mL 또는 50mL), 미세 팁이 달린 베럴 타입 피펫, 카세트테이프 케이스, 반응 스트립 구멍을 청소하기 위한 면봉, 라벨 테이프, 펜, 반응 스트립, 온도계, 타이머(초단위), 이쑤시개, 물통B. 시약0.1M 5mL 질산구리 Cu(NO{}_{3}){}_{2}, 0.10M 5mL 염산 HCl, 0.010M 5mL 아이오딘화 칼륨 KI, 0.040M 5mL 브로민산칼륨 KBrO{}_{3}, 0.0010M 5mL 싸이오황산나트륨 Na{}_{2}S{}_{2}O{}_{3}, 녹말 용액, 증류수※유의사항※희석 염산 용액은 피부와 눈에 심한 자극을 일으키며 섭취와 흡입에 의한 약간의 독성을 나타낸다. 희석된 구리(Ⅱ) 질산염 용액은 피부, 눈, 점막에 자극을 일으키고 섭취하면 약간 독성을 나타낸다. 브롬 산 칼륨 용액을 희석하면 신체 조직을 자극하고 섭취하면 약간 독성을 나타낸다. 화학 비산 방지용 고글, 내 화학성 장갑 및 내 화학성 앞치마를 착용해야한다. 실험실을 떠나기 전에 비누와 물로 손을 깨끗이 씻도록 한다.-질산구리 Cu(NO{}_{3}){}_{2}분자량 : 187.56g/mol, 밀도 : 3.05g/cm{}^{3}, 녹는점 : 256℃, 용해도 : 666g/100mL (삼수화물, 80℃), 243.7g/100mL (육수화물, 80℃)2가의 구리인 질산구리(Ⅱ)만이 알려져 있다. 육수화물·삼수화물은 모두 조해성(潮解性)이 있는 청색 결정이다. 물·에탄올에 잘 녹는다. 삼수화물에 진한 질산과 오산화이질소를 가하면 백색 또는 녹백색을 띤 무수물이 얻어진다. 산화구리 또는 탄산구리를 묽은 질산에 인 용액에서 결정시키면 수화물이 얻어진다. 수화물은준물질로 브롬산염 적정, 브롬화 적정법의 표준액 조제에, 또 다음 식의 반응을 이용해 티오황산염 용액의 농도 결정에 사용된다.BrO{}_{3}{}^{-} + 6I{}^{-} + 6H{}^{+} → Br{}^{-} + 3I{}_{2} + 2H{}_{2}O→ 위험성 : 화재를 강렬하게 함(산화제), 삼키면 유독함, 피부와 눈, 호흡기계 자극을 일으킬 수 있음, 유전적인 결함을 일으킬 것으로 의심됨, 암을 일으킬 수 있음-싸이오황산나트륨 Na{}_{2}S{}_{2}O{}_{3}분자량 : 158.11g/mol, 녹는점 : 48.2℃, 비중 : 1.85, 용해도 : 70.1g/100mL (20℃)싸이오황산소다라고도 하며, 5수화물은 하이포라고 한다. 보통은 5수화물로서 존재한다. 결정은 공기 중에서는 안정하지만, 찬 공기 중에서는 약간 조해성을 보이며, 건조한 공기 중에서는 풍해성(風解性)을 보인다. 100g의 물에 0℃에서 74.7g, 60℃에서 301.8g이 용해한다. 액체암모니아에는 녹지만 알코올에는 거의 녹지 않는다. 공기 중에서 가열하면 황산나트륨·이산화황·물로 분해한다. 또 산에 의해서도 분해되어 이산화황과 황을 생성한다.아이오딘 I{}_{2}와 반응하여 사티온산 나트륨 Na{}_{2}S{}_{4}O{}_{6}과 아이오딘화 나트륨 NaI를 생성한다.I{}_{2} + 2Na{}_{2}S{}_{2}O{}_{3} → 2NaI + Na{}_{2}S{}_{4}O{}_{6} → 위험성 : 피부와 눈, 호흡기계 자극을 일으킬 수 있음-녹말 용액녹말의 콜로이드 용액으로 요오드 이온의 존재에서 요오드와 반응해 강하게 색을 띤다. 녹말 속의 아밀로오스의 함량이 많은 경우는 청색이 강하고 아밀로펙틴의 함량이 많은 경우는 보라색으로 약하게 색을 띤다. 이 발색 반응에 의해 2×10{}^{-5}N까지의 요오드를 검출할 수 있다. 요오드 적정에 지시약으로 사용된다.Ⅴ. 참고문헌‘반응의 동역학(Kinetics of a reaction)’ 실험자료네이버 지식백과 ? 화학대사전 ? 녹말 실험 1, 4 및 5에서는 브롬산칼륨(KBrO{}_{3})의 농도가 증가하고 있다. 실험 1, 6 및 7은 염산(HCl)의 농도 증가를 보여준다.KI의 속도 순서1. 6개의 마이크로팁 피펫을 얻고 각 피펫의 줄기 주위에 접착 라벨을 붙인다(그림 1 참조). 피펫 KI, H{}_{2}O, HCl, 전분, Na{}_{2}S{}_{2}O{}_{3} 및 KBrO{}_{3}에 라벨을 붙인다.2. 각 피펫을 약 2 mL의 적절한 액체로 채운다.3. 보관을 위해 열린 카세트 케이스에 피펫을 놓는다(그림 1).4. 깨끗한 12개의 반응 스트립을 얻고 숫자가 왼쪽에서 오른쪽으로 읽혀지도록 배열한다.5. 첫 번째 측정은 KI의 농도만 다를 것이다. 표 1을 지침으로 사용하여 첫 번째 반응 스트립의 한 우물에 실험 #1에 나열된 첫 번째 5개의 시약을 적절한 양만큼 채운다. 새로운 이쑤시개와 잘 섞는다. 표 1의 각 실험은 3중으로 실행되므로 다음 두 우물에 대해 이 단계를 순서대로 반복한다.6. 반응 스트립의 다음 세 우물에서 실험 #2에 나열된 처음 5개의 시약을 사용하여 5단계를 반복한다.7. 실험 #3에 나열된 처음 5개의 시약으로 7, 8, 9번을 채운다.8. 실험 #4에 나열된 처음 5개의 시약으로 10, 11, 12번을 채운다.9. 우물 1에 KBrO{}_{3} 두 방울이 추가되면서 타이머를 시작하고 이쑤시게로 용액을 저어준다.10. 데이터 표 2에 파란색의 첫 번째 색조가 나타나는 데 필요한 시간을 기록한다.11. 우물 2, 우물 3에 8, 9단계를 반복한다.12. 반응 용액 중 하나의 온도를 알아내고 데이터 표 2의 모든 반응에 대해 이 온도를 기록한다.13. 8, 9 단계를 우물 4, 5, 6에도 반복한다. 실험 #2의 시간들을 데이터 표 2에 기록한다.14. 8, 9 단계를 우물 7, 8, 9에도 반복한다. 실험 #3의 시간들을 데이터 표 2에 기록한다.15. 8, 9 단계를 우물 10, 11, 12에도 반복한다. 실험 #4의 시간들을 데이터 표 2에 기록한된다.

자연과학| 2020.03.29| 15페이지| 2,500원| 조회(271)

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완충액의 제조 및 특성 (Preparation and Properties of Buffer Solutions)

완충액의 제조 및 특성(Preparation and Propertiesof Buffer Solutions)Key Words : 완충액, 약산-약염기, 짝산-염기쌍, pK{}_{a}실험날짜 : 2019년 5월 22일Ⅰ. 서론완충 용액은 산이나 염기를 첨가하여도 pH를 약간만 변화시키는 용액이다. 완충 용액의 중요한 예는 사람의 혈액이다. 많은 생화학적 과정이 좁은 범위의 pH 값 내에서 발생하기 때문에 일정한 혈액 pH를 유지하는 것이 중요하다. 혈액에서의 pH 범위는 7.35 ~ 7.45 사이이다.혈액의 주요 완충 시스템은 탄산-탄산 수소 완충 시스템이다. 탄산(H{}_{2}CO{}_{3}) 및 탄산수소이온(HCO{}_{3}{}^{-})은 짝산-염기쌍이다. 발생하는 평형 반응은 다음과 같다.H{}^{+}(aq) + HCO{}_{3}{}^{-}(aq) ? H{}_{2}CO{}_{3}(aq) ? H{}_{2}O(l) + CO{}_{2}(g)몸이 날숨으로 CO{}_{2} 기체를 제거하면 평형이 오른쪽으로 이동하고 H{}^{+}이온이 흡수된다. 정상적인 혈액에서 HCO{}_{3}{}^{-}와 H{}_{2}CO{}_{3}의 비율은 약 20 : 1 이다. 이는 완충액이 추가 산을 중화시키는 높은 능력을 가지지만 추가 염기를 중화 할 수 있는 능력은 거의 없음을 의미한다.Ⅱ. 실험목표이 실험에서는 물과 여러 용액의 pH를 측정 한 다음 산과 염기를 첨가하여 pH가 어떻게 영향을 받는지 관찰한다. 다른 pH 값의 여러 완충 용액을 준비하고 pH 변화에 저항하는 능력을 시험하여 완충액의 특성을 알아본다.Ⅲ. 실험 원리 및 이론(1) 핵심 원리 및 이론완충액은 산 또는 염기가 첨가 될 때 pH의 변화에 ??저항하는 용액이다. 즉, pH가 거의 변하지 않는 용액을 말한다. 이를 수행하기 위해 완충에는 산성 및 기본 구성 요소가 모두 포함되어야한다. 이 두 성분은 서로를 중화시키지 않아야하지만, 다른 공급원에서 수소 또는 수산화물 이온을 중화시킬 수 있어야 한다. 이것을 수행하는 }COO{}^{-}(aq) + H{}_{3}O{}^{+}(aq) ? CH{}_{3}COOH(aq) + H{}_{2}O(l)이 용액에 아세트산 이온을 넣어주면 르샤틀리에의 원리에 의해서 역반응이 진행되어서 아세트산이 만들어지고, 수소 이온의 농도는 감소하게 된다. 마찬가지로 외부에서 넣어준 산에 의해서 용액의 수소 이온 농도가 커지면, 역반응이 진행되어 아세트산이 생기면서 수소 이온 농도의 증가를 줄여준다. 또한 외부에서 염기를 넣어서 용액 속의 수소 이온 농도가 감소하게 되면 정반응이 일어나서 용액 속의 아세트산이 해리됨으로써 수소 이온 농도의 감소를 막아주게 된다. 이처럼 완충용액에는 외부에서 넣어준 산이나 염기에 의한 수소 이온 농도의 변화를 완충시켜 주는 역할을 할 수 있는 아세트산과 아세트산 이온이 충분히 들어있어야 한다.완충용액의 pH는 아세트산의 산해리 상수 1.75 × 10{}^{-5} 및 아세트산 이온과 아세트산의 농도비에 의해서 결정된다. 산이나 염기를 넣어주어도 아세트산 이온과 아세트산의 농도비가 많이 바뀌지 않기 때문에 완충 효과가 나타난다. 그리고 아세트산과 아세트산 이온의 농도가 같으면 pH는 pK{}_{a}(아세트산의 경우 4.76)가 되고, 완충 효과가 가장 잘 나타난다.아세트산 - 아세테이트 이온 완충액은 여러 가지 방법으로 제조 될 수 있다. 아세트산과 아세트산나트륨의 용액을 혼합함으로써 한 방법으로는 아세트산 용액으로 시작하여 일부는 수산화나트륨으로 그것의 일부를 중화시킬 수 있다. 또 다른 방법으로는 부분적으로 염산으로 그것의 일부를 중화시킬 수 있다. 약산 또는 염기의 유형을 변화시키고 짝산-염기쌍의 농도 비율을 변화시킴으로써 임의의 pH 값에 대해 완충액을 제조 할 수 있다.약산의 해리 방정식으로부터 pH를 계산하는 식을 유도하는 것이 가능하다 :HA(aq) ? H{}^{+} + A{}^{-}(aq)weak acid conjugate base산 해리 상수 표현식은 다음과 같다:K{}_{a}=` {[H ^{+} ][A ^{- + log{[```````````````]} over {[acid]} Equation 3(2) 참고 개념-완충용량이란?증류수에 소량의 강산이나 강염기를 넣으면 pH는 크게 변한다. 그러나 소량의 강한 산이나 강한 염기를 넣더라도 pH의 변화가 거의 없는 용액이 있는데 이 용액을 완충 용액이라고 한다. 완충 용액은 약한산과 그 산의 염을 혼합하거나, 약한 염기에 그 염기의 염을 혼합해 만든 용액이고 이 용액은 소량의 강한 산이나 염기를 넣어도 약산과 약염기의 해리특성에 의하여 pH의 변화가 거의 없다. 여기서 뚜렷한 pH의 변화를 일으키지 않는 범위 안에서 완충 용액이 수용할 수 있는 산이나 염기의 양을 완충 용량이라고 한다. 그런데 이 표현에서 다소 애매한 단어가 포함되어 있는데 ‘뚜렷한 pH의 변화’라는 표현이 바로 그것이다. 이에 대해 합의된 기준은 없지만 대체로 pH 1의 변화로 생각하면 된다. 완충 용량은 완충 용액을 만든 산이나 그 염의 농도에 따라 다르다.Ⅳ. 기구 및 시약A. 실험 기구0.01g 정확도의 저울, 눈금실린더(25mL, 100mL), 비커(100mL), Beral 유형의 피펫, pH 미터, 뷰렛, 링 스탠드, 뷰렛 클램프, 교반 막대, 삼각플라스크(250mL), 세척병과 증류수B. 시약0.1M 20mL 아세트산(H{}_{2}CO{}_{3}), 0.1M 40mL 염화나트륨(NaCl), 0.1M 20mL 암모니아(NH{}_{3}), 0.1M 20mL 염화암모늄(NH{}_{4}Cl), 0.1M 5mL 염산(HCl), 1.0% 1mL 페놀프탈레인, 0.1M 20mL 아세트산나트륨(NaC{}_{2}H{}_{3}O{}_{2}), 0.1M 5mL 수산화나트륨(NaOH), 0.2M 30mL 수산화나트륨(NaOH), 2.0g의 미지의 고체 산 샘플, 증류수-아세트산(H{}_{2}CO{}_{3})상태 : 액체, 분자량 : 60.05 g/mol, 녹는점 : 289.85 K(16.7 °C), 끓는점 : 391.25 K(118.1 °C), 밀도 : 1.04다.암모니아 기체가 녹아있는 수용액을 암모니아 용액 혹은 수산화암모늄 용액이라 부른다. 그것은 암모니아가 물과 반응하면 수산화암모늄이 형성되기 때문이다. 암모니아 기체 역시 다른 기체와 마찬가지로 온도가 낮을수록 압력이 높을수록 많이 녹는다. 포화 암모니아의 용액의 밀도는 약 0.88g/mL이고, 무게 비(wt%)로 약 30% 전 후가 되지만 그것도 온도에 따라 변한다. 실험실에서 주로 사용되는 진한 암모니아 용액의 농도를 계산해 보면 약 15 M(mol/L) 이다. 그런 진한 용액은 피부 혹은 점막에 닿으면 심한 상처가 나며, 금속과 접촉되면 부식이 급속히 진행되므로 주의해서 취급을 해야 된다. 암모니아 용액과 증기는 특히 눈에 자극적이다. 섭취 또는 흡입에 의해 보통 정도의 독성을 나타낸다. 흄 후드에서 분배해야한다.-염화암모늄(NH{}_{4}Cl)상태 : 무색의 정육면체 결정, 분자량 : 53.50g/mol, 비중 : 1.53(17℃)고체를 가열하면 융해하지 않고 337.8℃에서 승화하여 기체로 되나, 기체 속에서는 분해하여 염화수소 HCl과 암모니아 NH{}_{3}로 되어 있다. 약간 흡습성이 있고, 물에는 잘 녹는다. 용해도는 물 100g에 29.4g(0℃), 77.3g(100℃)이다. 메탄올·에탄올에도 녹으나, 아세톤·에테르·아세트산에틸에는 잘 녹지 않는다. 천연으로는 화산지대나 온천지대에 존재하고, 공업적으로는 염과 암모늄 소다법에 의해서 대량으로 제조된다. 또 가스공업의 암모니아액에 염산을 가해도 생긴다. 실험실에서는 암모니아와 염산의 중화, 황화암모늄과 식염의 복분해 등에 의해서 얻을 수 있다. 전지의 전해질, 분석시약, 의약, 염색용, 질소비료로 사용된다.-염산(HCl)상태 : 액체, 분자량 : 36.46 (HCl) g/mol, 녹는점 :245.83 K(-27.32 °C),끓는점 : 383.15 K(110 °C), 밀도 : 1.18 g/cm{}^{3}, 형태 : 무색에서 연노랑염화수소(HCl) 수용액으로 무색투명하고 부식성이 강하며 강한 자극97g/mol, 상태 : 백색 결정, 밀도 : 2.13g/cm{}^{3}, 녹는점 : 318.4℃, 끓는점 : 1390℃, 비중 : 2.13, 비열용량 : 59.66J/(mol·K), 용해도 : 1110g/L (20℃)수산화나트륨은 강염기의 대표적인 물질로 다른 물질을 잘 부식시키는 위험한 물질이다. 단백질도 가수분해하기 때문에 손으로 직접 만지는 것은 좋지 않다. 수산화나트륨은 고체 결정 상태이기 때문에 화학 반응시에는 주로 물에 녹여 수용액을 만들어 사용하는데, 이때 많은 열을 발생시키므로 주의해야 한다. 만들어진 수용액을 산성용액과 반응시킬 때에도 많은 열을 발생하므로 묽게 하여 사용해야 한다.→ 위험성 : 금속을 부식시킬 수 있음, 삼키면 유독함, 피부와 접촉하면 유해함, 피부에 심한 화상과 눈 손상을 일으킴. 즉, 흡입, 섭취에 독성이 있으며 모든 신체 조직에 부식성이 있음.-아세트산나트륨(NaC{}_{2}H{}_{3}O{}_{2})분자량 : 82.04g/mol, 녹는점 : 324℃, 끓는점 : 881.4℃, 비중 : 1.528,비열용량 : 100.83J/(mol·K), 용해도 : 125.5g/100mL (30℃)초산나트륨이라고도 하며, 약산인 아세트산을 강염기인 수산화나트륨과 반응시키면 중화반응이 일어나 물이 생기고, 아세트산나트륨이 만들어진다. 그 반응식은 다음과 같다.CH{}_{3}COOH + NaOH → H2O + CH{}_{3}COONa이렇게 하여 얻은 아세트산나트륨은 물 속에서 아세트산이온(CH{}_{3}COO-)과 나트륨이온(Na{}^{+}) 상태로 존재하는데, 이 용액을 증발시키고 농축하여 냉각시키면 3수화염인 CH{}_{3}CO{}_{2}Na·3H{}_{2}O가 생긴다. 이 3수화염의 결정을 120∼250℃에서 가열하면 물이 모두 빠져나가 무수염이 된다. 3수화염이나 무수염은 둘 다 바늘 모양의 무색 결정이며, 물에는 잘 녹지만 유기용매에는 거의 녹지 않는다. 약한 산과 강한 염기가 만드는 염이므로 수용액은 약한 알칼리성을 보인다. 아한다.

자연과학| 2020.03.29| 11페이지| 2,000원| 조회(341)

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약산의 K 측정 (Determination of K of Weak Acids)

약산의 K{}_{a} 측정(Determination of K{}_{a} of Weak Acids)Key Words : 약산, 짝염기, 해리상수, 평형상수, 중화반응실험날짜 : 2019년 5월 15일Ⅰ. 서론산은 수소 이온을 제공하는 물질이다. 그들은 수소 이온 100%를 포기하는 강산부터 전혀 이온화하지 않는 매우 약한산까지 이온화하는 능력이 다양하다. 해리 상수는 산 강도를 나타내는 평형 상수의 값이다.Ⅱ. 실험목표이 실험의 목적은 두 개의 알려지지 않은 약산의 이온화에 대한 pK 값을 결정하는 것이다. 동일한 몰량의 약산 및 이들의 짝염기를 함유하는 용액은 산의 "반-중화"에 의해 제조된다. 이들의 pH 값들이 측정되고 미지 시료의 pK{}_{a} 값을 계산하여 그 신원을 결정한다. 각각의 알려지지 않은 약산에 대해 두 번의 시험이 실시된다.Ⅲ. 실험 원리 및 이론(1) 핵심 원리 및 이론최근의 브뢴스테드 산의 정의는 수소 이온을 다른 물질에 기증하는 화합물의 능력에 의존한다. 산이 물에 녹을 때, 수소 이온을 물 분자에 기증하여 H{}_{3}O{}^{+} 이온을 형성한다. 이온화 반응이라고 불리는 이 반응의 일반적인 형태는 식 1에 나타나 있는데, 여기서 HA는 수소 이온 손실 후 산 및 A{}^{-}는 그것의 짝염기이다. 이중 화살표는 가역 반응을 나타낸다.HA(aq) + H{}_{2}O(l) ? A{}^{-}(aq) + H{}_{3}O{}^{+}(aq) Equation 1산의 가역 이온화에 대한 평형 상수 표현식(K)은 식 2에 주어져있다. 대괄호는 반응물과 생성물의 몰 농도를 나타낸다.K _{a} = {[A ^{-} ][H _{3} O ^{+} ]} over {[HA]} Equation 2물론 모든 산이 평등하게 만들어지는 것은 아니다. 산의 강도는 방정식 1에 대한 평형 상수 K의 값에 의존한다. 강산은 수용액에서 완전히 이온화된다. 강산에 대한 K의 값은 매우 커서 방정식 1은 본질적으로 완료됩니다. 단지 HO와 A만이 용액에 존재한다. 반면에,-2}6.4 × 10{}^{-8}1.777.19아세트산HC{}_{2}H{}_{3}O{}_{2}1.8 × 10{}^{-5}4.74탄산H{}_{2}CO{}_{3}4.3 × 10{}^{-7}5.6 × 10{}^{-11}6.3710.25하이포아염소산HClO3.0 × 10{}^{-8}7.52시안화수소HCN4.9 × 10{}^{-10}9.31약산의 이온화 상수는 약산의 묽은 수용액에서 H{}_{3}O{}^{+} 농도를 측정함으로써 실험적으로 결정될 수 있다. 이 절차는 용액이 동일한 몰량의 약산과 그 짝염기를 포함하고 있을 때 가장 정확하다.아세트산(CH{}_{3}COOH)과 아세트산 음이온(CH{}_{3}COO{}^{-})은 짝산-염기 쌍을 나타낸다. 아세트산의 이온화에 대한 평형 상수 표현식은 식 5에서 나타난다. 아세트산과 아세트산 이온의 농도가 동일하다면, 이 두 항은 평형 상수 표현에서 상쇄되고, 식 5는 수학 식 6으로 줄어든다.CH{}_{3}COOH(aq) + H{}_{2}O(l) ? CH{}_{3}COO{}^{-}(aq) + H{}_{3}O{}^{+}(aq)K _{a} `=` {[CH _{3} COO ^{-} ][H _{3} O ^{+} ]} over {[CH _{3} COOH]} Equation 5K{}_{a} = [H{}_{3}O{}^{+}] Equation 6이 실험에서, 미지의 산 및 그 짝 염기의 몰 농도가 동일한 용액들이 만들어진다. 이들 용액의 pH는 산에 대한 pK{}_{a}와 같다. pK{}_{a}의 정의는 pH의 정의와 밀접하게 관련되어있다. 따라서, pH = -log[H{}_{3}O{}^{+}] 및 pK{}_{a} = -logK{}_{a}이다. 미지 시료의 대부분은 아직도 이온화 가능한 수소를 포함하는 다양성자 산의 염이다. 예를 들어, 황산수소나트륨(NaHSO)은 약산염이다; 그것은 Na{}^{+}와 HSO{}_{4}^{```-} 이온을 포함한다. HSO{}_{4}^{```-} 이온은 약산이며, HSO{}_{4}^{```-}의 이온화에{A ^{-}}} over {a _{HA} a _{H _{2} O}}염기 B도 순식간에 평형에 도달한다.B(aq) + H{}_{2}O(l) ? OH{}^{-}(aq) + BH{}^{+}(aq)K`=` {a _{BH ^{+`}} a _{OH ^{-}}} over {a _{B} a _{H _{2} O}}이 평형에서 A{}^{-}는 산 HA의 짝염기, BH{}^{+}는 염기 B의 짝산이다. 첨가된 산이나 염기가 없는 경우에도 양성자 전달은 물 분자들 사이에 발생하기 때문에 자체양성자이전 평형(autoprotolysis equilibrium)이 항상 존재한다.2H{}_{2}O(l) ? OH{}^{-}(aq) + H{}_{3}O{}^{+}(aq)K`=` {a _{H _{3} O ^{+}} `a _{OH ^{-}}} over {a _{H _{2} O}^{2}}자체양성자이전은 자체이온화(autoionization)라고도 부른다.히드로늄 이온 농도는 보통 아래와 같이 정의되는 pH로 표현된다.pH = -loga _{H _{3} O ^{+}}여기서 대수는 상용대수다. 간단한 경우에 히드로늄 이온의 활동도는 활동도 계수gamma 를 1로 두고a _{H _{3} O ^{+}} = [H{}_{3}O{}^{+}]/c{}^{EMPTYSET }와 c{}^{EMPTYSET }=1 mol dm{}^{-3}으로 놓은 것과 동일한 몰농도 [H{}_{3}O{}^{+}]의 수치로 치환된다. 그러나 이온들은 상당히 먼 거리에서도 상호작용을 하기 때문에 활동도를 몰농도로 치환하는 것은 매우 많이 희석된 용액을 제외하고는 적합하지 않다. 하지만 평형상수를 구할 때 활동도는 다음과 같이 약분되기 때문에 평형상수에는 크게 신경쓰지 않아도 된다.K _{a} `=` {a _{H _{3} O ^{+}} a _{A ^{-}}} over {a _{HA} a _{H _{2} O}} APPROX {([H _{3} O ^{+} ]/c ^{EMPTYSET } )([A ^{-} ]/c ^{EMPTYSET } )} over ````````=logK _{a`} +log {[acid]} over {[```````````````]}이 되고, 다음의 Henderson-Hasselbalch 식이 된다.pH ? pK{}_{a} - log{[acid]} over {[```````````````]}Ⅳ. 기구 및 시약A. 기구0.01g 정확도의 저울, 피펫, 비커(150mL), 교반 봉, 삼각 플라스크(125mL), 세척병, 눈금 실린더(50 or 100mL), 무게달기칭량, pH 미터B. 시약페놀프탈레인 용액(1.0%, 1mL), 미지의 약산, A-E, 각 약 0,5g, 수산화소듐 용액(NaOH) (0.1M, 15mL), 증류수(200mL)-페놀프탈레인(C{}_{20}H{}_{14}O{}_{4})분자량 : 318.32g/mol, 밀도 : 1.28g/cm³, 녹는점 : 260°C, 물에 대한 용해도 : 400 mg/L색에서 옅은 노란색을 띠는 흰색 결정이며 고온에서는 승화하는 성질이 있다. 에탄올에는 잘 녹으며 에테르에는 잘 녹지 않고, 물에는 거의 녹지 않는다. 산성 용액 속에서는 무색이며, pH 9 이상의 염기성 용액에서는 붉은색을 띠기 때문에 산·염기 적정에 많이 이용된다.산을 염기로 적정할 경우, 플라스크에 적정할 산을 넣고 페놀프탈레인을 몇 방울 넣은 후 뷰렛에 담긴 염기를 플라스크에 조금씩 떨어뜨리면서 색깔 변화를 관찰한다. 이때 페놀프탈레인 자체가 약산성이기 때문에 많이 넣을 경우 실험 결과에 영향을 줄 수 있다. 따라서 2~3방울 정도만 넣는 것이 바람직하다. 플라스크 속 용액의 색깔이 매우 옅은 붉은색을 띠고 플라스크를 잘 섞어 주어도 그 색깔이 없어지지 않으면 중화점에 다다른 것이며 적정이 종료된다.→ 위험성 : 피부 및 눈과 호흡기계에 심한 자극을 일으킴, 유전적인 결함을 일으킬 것으로 의심됨, 암을 일으킬 수 있음, 태아 또는 생식능력에 손상을 일으킬 것으로 의심됨-수산화소듐(NaOH)분자량 : 39.997g/mol, 상태 : 백색 결정, 밀도 : 2.13g/cm{}^{3} 넣는다.8. Beral 유형의 피펫을 사용하여 수산화나트륨 용액을 플라스크에 적가한다. 수산화나트륨 용액을 첨가하면서 플라스크를 부드럽게 젓는다.9. 용액 전체에 희미한 분홍색이 5초 이상 지속될 때까지 수산화나트륨을 계속 적가하고 용액을 섞는다. 이를 종말점이라고 한다. 참고 : 분홍색은 염기가 첨가되면 즉시 생성되지만 용액이 섞이면 빠르게 사라진다. 종말점에 가까워지면 핑크 색상이 더 천천히 희미해지기 시작한다. 종점에 가까워지면 "더 가하지" 않도록 조심스럽게 진행한다.참고 : 이 시점에서 비커의 용액은 본래 양의 산의 정확히 절반을 함유하고 있으며, 본질적으로 모두 HA 산 형태이다. 삼각 플라스크는 중화에 의해 얻어진 짝염기 A{}^{-}의 동량을 함유한다.10. 삼각 플라스크의 내용물을 다시 비커에 넣는다. 용액을 앞뒤로 몇 번 섞는다. 주의; 삼각 플라스크의 모든 용액을 다시 비커에 옮기는 것이 중요하다.11. pH 측정기를 사용하여 비커에 있는 용액의 pH를 측정한다. 비커에는 이제 동량의 산과 그 짝염기가 들어있다. 데이터 표에 pH를 기록한다.12. 교사의 지시에 따라 비커 내용물을 버리고 증류수로 비커와 삼각 플라스크를 씻어낸다. 비커를 종이 타월로 말린다.13. 계량 접시 #2 (시험 2)의 시료를 사용하여 4-12 단계를 반복한다.14. 다른 두 번째 미지의 약산을 사용하여 1 ~ 13 단계를 반복한다.Ⅵ. 참고문헌‘약산의 K{}_{a} 측정’ 실험자료네이버 지식백과 ? 두산백과 ? 페놀프탈레인구글 ? 위키백과 ? 페놀프탈레인네이버 지식백과 ? 두산백과 ? 수산화나트륨네이버 지식백과 ? 화학대사전 ?수산화나트륨MSDS : 안전물질보건공단 ? 페놀프탈레인, 수산화나트륨 위험성핵심물리화학 제 6판 ? 교보문고 ? 8장 화학평형: 용액Ⅶ. 결과첫 번째 pH 값 : 6.92, 두 번째 pH 값 : 3.59종말점으로 확인하여 pH를 측정한 시점의 용액은 본래 양의 산의 정확히 절반을 함유하고 있으며, 산은 중화에 의해 얻어진 짝염기 A{}^{-9(%)

자연과학| 2020.03.29| 8페이지| 2,500원| 조회(138)

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용해도와 열역학 (Solubility and Thermodynamics)

용해도와 열역학(Solubility and Thermodynamics)Key Words : 자유에너지, 엔탈피, 온도, 용해도실험날짜 : 2019년 4월 10일Ⅰ. 서론많은 화학 반응이 용액 상에서 수행된다. 이것들은 살아있는 유기체에서의 생화학적 과정에서 용해된 용액의 산업적 생산에 이르기까지 다양하다. 따라서 많은 반응을 더 잘 이해하기 위해 "용액 화학"에 대한 실무 지식을 갖는 것이 중요하다.우선 용액을 다루는 몇 가지 용어를 정의해야한다.1. 용액(Solution) : 하나 이상의 물질이 균질하게 혼합되거나 다른 물질에 용해되어있는 계. 따라서 용액은 적어도 2가지 성분을 가지며 다양한 조성을 가질 수 있다.2. 용질(Solute) : 용해되는 물질로, 이 물질은 보통 용해 물질보다 적은 양으로 존재한다.3. 용제(Solvent) : 용해되는 물질4. 용해도(Solubility) : 주어진 온도와 압력에서 용질이 용매에 녹는 정도. 농도 값으로 나타낼 수 있다.5. 포화용액(Saturated Solution) : 과량의 용해 된 용질과 평형을 이룬 용액6. 불포화용액(Unsaturated Solution) : 평형량보다 적은 양의 용질을 함유하고 있는 용액검사 할 수 있는 용해의 많은 측면이 있으며, 이들 모두를 연구하려면 적어도 용해에 대한 화학에 전적인 과정이 필요하다. 설문 조사와 같은 과정에서 연구되는 주제는 주어진 용매가 용해시킬 수 있는 용질은 무엇인지 또는 얼마나 많은 용질이 주어진 용매에 용해되는지에 영향을 미치는 요소는 무엇인지와 같은 근본적인 것으로 시작 할 수 있다. 반 정량적 방법으로 용질의 용해도에 대한 한 가지 요소(온도)의 영향을 이번 실험에서 연구 할 것이다. 이 데이터는 시스템의 여러 열역학 특성을 유도하는 데 사용된다. 용질과 용매가 세 가지 물리적 상태 (고체, 액체, 기체) 중 어느 하나에 존재할 수 있지만 이 연구는 액체 용매에서 고체 용질로 제한 될 것이다. 보다 구체적으로, 용질은 결정 이온성 고체이고 용제는 물이 될 것이다. 그러나 여기에 설명 된 일반 원칙은 다른 경우에도 적용된다.Ⅱ. 실험목표KNO{}_{3}를 서로 다른 부피의 용매에서 열을 가해 녹이고, 냉각시켜 결정이 생기기 시작하는 온도를 측정한 뒤 용해도와 Van’t Hoff 방정식을 이용해 KNO{}_{3} 용해열과 용해 엔트로피 결정법을 이해한다.Ⅲ. 실험 원리 및 이론1) 핵심 원리 및 이론왜 그리고 어떻게 온도가 용해도에 영향을 미치는지 이해하기 위해서는 우선 용질이 용해될 때 무엇이 ??발생하는지 관찰할 필요가 있다. 용질이 기체인 경우, 분자가 용매 분자 사이에서 분산되고 용액이 형성된다. 용질이 액체 또는 고체 인 경우, 용해를 두 단계로 수행하는 것이 편리하다. 먼저, 용질 입자는 "기체"로 전환되고(즉, 이들은 분자를 서로 붙잡고 있는 임의의 인력으로부터 분리된다), 이어서 용매 분자 사이에 분산된다(기체성 용질의 경우에서와 같이). 이러한 해체가 바람직한지의 여부는 1) 변화가 발생할 확률 (엔트로피라는 용어로 정량적으로 설명함) 그리고 2) 분산과 관련된 에너지 변화라는 두 가지 요인에 달려있다.확률 고려를 이해하기 위해 간단한 비유를 해보자면, 구슬 두 상자 (파란색 구슬이 들어있는 상자 하나와 동등한 수의 옥수수 구슬이 들어있는 상자 하나)를 상자에서 뺀 다음 섞을 수 있다고 가정한다. 모든 파란 구슬이 옥수수 구슬에서 분리 될 확률은 얼마일까? 보통 이 확률이 극도로 작다고 생각할 수 있다. 이는 용매와 접촉하는 용질의 경우에 적용될 수 있으며 두 물질이 혼합 될 가능성은 두 물질이 완전히 분리 될 확률보다 훨씬 크다. 따라서 확률(엔트로피)만을 토대로 하면 용해 과정은 분리 된 용매와 용질보다 선호되는 것으로 보인다.그러나 실제로는 모든 용질과 용매가 자연스럽게 혼합되어 용액을 형성하지는 않는다는 것을 우리는 알고 있다. 따라서 두 번째 요인인 에너지는 이러한 현상을 설명해야하며 용해를 이해하는 데 고려되어야한다.용해가 두 단계(액체 및 고체 용질의 경우에서와 같이)로 발생하는 것으로 판단되는 경우, 이러한 단계에 관련된 에너지 변화는 용액 형성이 유리한지 여부를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 이 역할을 설명하기 위해, 액체 용매에서의 이온 성 용질의 용해는 실험에서 연구될 시스템의 유형이므로 조사될 것이다.이온성 용질이 용해될 때, 결정격자 내의 이온쌍은 서로 분리되어야하고(단계 1), 용매 분자에 의해 포위되거나 용매화되어야한다(단계 2). 따라서 생성된 용액은 용매 분자로 둘러싸인 용질 이온으로 구성된다. 이는 용매 H{}_{2}O에서의 이온성 고체 NaCl의 용해에 대한 그림 1에 개략적으로 도시되어있다.이 단계들 각각에는 에너지 변화가 수반된다. 본질적으로 이러한 변화는 용질 입자들 사이에 존재하는 인력과 용매 입자들 사이의 인력(동질적인 힘)의 크기를 살펴보고 용매와 용질 사이에 존재하는 힘(이질적인 힘)의 크기를 대조하면서 이해할 수 있다.따라서 용질과 용매가 접촉하면 세 가지 경우가 발생할 수 있다:1. 동질적 힘은 이질적 힘보다 강하고 용매와 용질 사이에는 거의 상호 작용이 없다.2. 이질적 힘과 동질적 힘은 거의 같다.3. 이질적 힘이 동질적 힘보다 강하여 강한 용매 - 용질의 상호작용이 일어난다.이러한 상호 작용은 에너지 고려 사항 측면에서 개략적으로 설명될 수 있다. 그림 2에서 이를 수행한다. 그림에서 용해의 첫 번째 단계(기체 입자 형성)의 에너지는 이온성 용질에 대한 결정격자 에너지(TRIANGLE H _{XTAL})라고 한다. 용해의 두 번째 단계 (기체 입자의 용매화)에 관여하는 에너지를 용매화 에너지(TRIANGLE H _{SOLVATION})라고 한다. 두 공정의 최종 효과는TRIANGLE H _{SOLN}이다.Case 1동질적 힘 > 이질적 힘결정격자 에너지 > 용매화 에너지TRIANGLE H _{XTAL} >TRIANGLE H _{SOLVATION}Case 2동질적 힘 = 이질적 힘결정격자 에너지 = 용매화 에너지TRIANGLE H _{XTAL} =TRIANGLE H _{SOLVATION}Case 3동질적 힘 < 이질적 힘결정격자 에너지 < 용매화 에너지TRIANGLE H _{XTAL}

자연과학| 2020.03.29| 14페이지| 2,500원| 조회(417)

온도, 용해도, 물리화학, 화학, 물리화학실험, 엔탈피, 자유에너지

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