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[자연과학]제1족 양이온 분석 평가A좋아요

1. 실험 목적정성분석은 시료 중에 어떤 특정 성분의 유무와 확인을 목적으로 하는 분석화학의 한 분야이다. 최근에는 정밀기기를 이용하여 정성분석을 하고 있으나 산-염기, 산화-환원, 침전 및 착물 형성 등의 여러 가지 화학반응을 이용하여 양이온과 음이온의 유무를 확인 할 수도 있다. 따라서 체계적인 정성분석 실험을 통해 여러 종류의 이온 평형을 이해하는데 이 실험은 유용하다. 이 실험에서는 양이온을 6족으로 나눌 때 1족에 속하는 Ag, Hg및 Pb이온의 정성분석을 다룬다.2. 원리 및 이론약 80종의 금속원소 중 일반적인 화학반응에 많이 이용되는 양이온들은 약 25종이 된다. 이들의 화합물들은 용해도를 고려하여 6족으로 구분되어진다. 즉, 적당한 침전 시약을 가해 침전되는 것과 이온으로 용해되는 것들을 나누어 각 족을 구분하고, 각 족을 다시 침전여부로 분리시키고 확인하는 실험을 하게 된다. 이 같은 방법을 양이온의 계통 분석법이라 한다. 혼합 양이온들의 침전분리 시약을 분족시약이라고 하는데, 이들은 6M HCl, HS(0.3M HCl), NHOH-NHCl, (NH)S, (NH)CO으로서 이들 분족시약에 의해 양이온들이 분족되는 것을 그림[1]에 체계적으로 나타내었다.양이온 계통분석을 간단히 요약해 보면 그림29.1에서 보듯이 염화물 침전을 형성하는 이온들을 양이온Ⅰ족, 산성용액에서 황화물 침전을 이루는 이온들을 양이온Ⅱ족, 염기성 용액에서 황화물 침전을 이루는 이온들은 양이온Ⅳ족, 암모니아 완충용액에서도 수산화물 침전을 이루는 이온들을 양이온Ⅲ족, 탄산염 침전을 형성하면 양이온Ⅴ족이고, 좀처럼 침전을 이루지 않는 양이온들을 Ⅵ족으로 분류하고 있다. 각 족에 속한 각개 금속이온들의 각개 반응을 계통분석 전에 반드시 실험적으로 이해하고 있어야 한다.양이온 Ⅱ족은 산성 상태에서 HS 가스를 통하여 포화시켜야 하는데 실험 도중 여러 가지 어려움과 유독한 HS 가스를 다루어야 하는 양이온Ⅱ족의 계통분석 과정을 생략하고, 가장 일반적인 양이온 10종만을 선택하면 그림29.2와 같은 간단한 계통분석표를 얻을 수 있다.양이온Ⅰ족에 속하는 것은 Ag, Hg및 Pb인데 이들의 염화물인 AgCl, HgCl및 PbCl는 차가운 용액에는 모두 녹기 어렵다. 그러므로 이 이온들이 들어있는 혼합용액에 HCl을 가하면 완전히 첨전시킬 수 있다. 이 침전을 걸러내면 다른 이온들과 분리할 수 있다. 이 실험에서 염산을 필요이상으로 너무 많이 가할 경우에는 AgCl의 침전이 AgCl와 같은 착이온을 형성하면서 얼마간 녹기 때문에 주의하여야 한다.Ⅰ족 이온의 염화물 중에서 PbCl는 뜨거운 물에는 잘 녹기 때문에 이 성질을 이용하면 이것을 다른 염화물과 분리할 수 있다. PbCl를 뜨거운 물로 녹여 낸 용액에 KCrO용액을 가하면 CrO이온과 Pb이온이 반응하여 PbCrO의 노락색 침전이 생성되므로 Pb이온을 확인 할 수 있다.침전으로 걸러진 AgCl 및 HgCl의 혼합침전은 암모니아수를 가하면 이들을 분리할 수 있는데, 이 때 AgCl 은 착이온인 Ag(NH)로 녹고, HgCl는 암모니아와 반응하여 회색 또는 검은색 침전으로 남게 되어 Hg이온이 확인된다. HgCl는 불균등화반응을 하여 일분은 산화되는 동시에 일부는 환원된다. 이 반응에서 생성되는 물질은 염화아미드수은(Ⅱ), 즉 HgNHCl와 금속수은이기 때문에 침전은 회색 또는 검게 보인다.Ag(NH)착이온이 들어 있는 무색용액에 질산을 가하면 은-암모니아 착이온이 파괴되어 AgCl의 흰 침전이 다시 나타나기 때문에 Ag이온을 확인 할 수 있다.참고적으로 세 염화물의 용해도곱 상수(K)를 비교해 보면 다음과 같이 PbCl>AgCl>HgCl순서로 용해도가 커진다.AgCl : 1.0 × 10(25℃) 215 × 10(100℃)HgCl: 2.0 × 10(25℃)PbCl: 1.7 × 10(25℃) 거의 용해 (100℃)양이온 Ⅰ족 정성분석 원리를 체계적으로 이해하고 실험하는데 도움이 되는 실험절차를 정리하면 그림 29.3과 같다.3. 실험시약 및 기구- 시약 : AgNO, PbNO, HgNO, KCrO, HCl, NHOH, HNO, HSO- 기구 : 비커, 깔때기, 시험관, 거름종이, 스탠드, 핫 플레이트, 스포이드, 피펫4. 결과 및 계산① 제 Ⅰ 족 양이온의 침전AgNO, PbNO, HgNO의 혼합시료용액에 HCl을 적당량 가해 침전의 생성을 확인 한다. 이 과정에서 양이온과 분족시약이 아래의 반응식과 같이 반응한다.이온 분족시약 침전물질Ag+ HCl → AgCl + H은이온(무색) 염산 염화은(백색) 수소이온Pb+ 2HCl → PbCl+ 2H납이온(무색) 염화납(백색)Hg+ 2HCl → HgCl+ 2H수은(Ⅰ)이온(무색) 염화수은(Ⅱ)(백색)그래서 우리는 백색의 침전물을 확인 할 수 있다.② Pb이온의 분리①의 혼합물을 깔때기에 거른다. 이 때 온수를 붓는다. 온수를 붓는 이유는 아래 표에서 보면 알 수 있듯이 PbCl가 뜨거운 물에서 잘 녹기 때문이다. 그러므로 아래 나온 여액에는 PbCl가 포함되어 있게 되며 이를 확인 하기 위한 실험이 바로 ③의 과정이다.염화물용해도적용해도(g/100gHO)0℃10℃20℃50℃100℃AgCl3.2?100.7?101.05?101.55?105.4?1021.0?10PbCl0.670.800.971.643.23HgCl1.3?101.4?101.65?102.35?10③ Pb이온의 확인아래 걸러진 여액을 두 시험관에 넣고 한 시험관에는 KCrO을, 다른 시험관에는HSO를 넣어 침전물의 색을 확인 한다.시료 검출시약 확인PbCl+ KCrO→ PbCrO↓ + 2KCl크롬산칼륨 (황색)PbCl+ HSO→ PbSO↓ + 2HCl(흰색)그래서 우리는 각 각의 시험관에서 황색과 흰색을 침전물을 확인 할 수 있으며 그러므로 이 여액에는 PbCl이 포함 되어 있다는 것을 확인할 수 있게 된다.④ AgCl과 HgCl의 분리②에서 깔때기에 남은 침전물에 NHOH를 부으면서 거른다. 그러면 아래 반응이 일어나 AgCl과 HgCl이 분리 된다.AgCl + 2NH↔ Ag(NH)+ Cl디암민은 이온HgCl+ 2NH↔ Hg(NH)Cl + Hg + NH+ Cl염화수은 아마이드AgCl은 Ag(NH)+ Cl가 되어 여액으로 빠져 나가고 HgCl은 암모니아수로 회흑색 침전이 생겨서 분리되었다는 것을 알 수 있다.⑤ Ag의 검출④에서 생긴 여액에 HCl을 적당량 가하면 흰색 침전이 생기는데 이를 통하여 Ag를 확인 할 수 있다.Ag(NH)+ 2H+ Cl→ AgCl↓ + 2NH(흰색)이러한 실험 과정을 통해 우리는 Ⅰ족 양이온을 정성분석 할 수 있게 된다.5. 고찰- 이번 실험에서는 중학교 때부터 익히 들어온 침전을 이용하여 제 Ⅰ 족 양이온 정성분석을 하였다. 이론으로 배울 때는 그냥 침전 반응에 대해서만 배웠는데 침전반응을 이용해서 분석실험을 할 수 있다는 것이 흥미로웠다. 첫 실험이라 사전 지식이 없어서 교수님의 설명을 열심히 듣고 실험에 임하였다. 처음 만난 조원도 있었지만 단합하여 차근차근 실험을 시작 하였다. 처음에는 실험에 사용할 기구를 씻는 것부터 시작 하였는데 이는 분석과정 중 불순물이 있으면 정확한 실험 결과를 얻을 수 없기 때문이다. 고등학교 때 과학 동아리에서 실험을 해보아서 인지 시약을 다루는 데는 힘들지 않았다. 다만 사전에 주의사항이나 고려해야 할 점 등을 조사하지 않아 반응과정 중 독한 냄새 등에 당황하긴 하였지만 꿋꿋이 실험을 계속했다. 용액을 거를 때에는 거름종이가 찢어지지 않게 조심해야 하고 여러 가지 화합물을 분리 하기 때문에 혼동 되지 않게 표지를 붙여야 한다. 그리고 Pb나 Hg는 유독하고 발암성 물질이므로 반드시 폐수통에 버려야 하고 피부에 직접적으로 닿지 않도록 노력해야 한다. 앞으로는 실험전에 사전지식을 잘 숙지하고 주의사항 등을 숙지하여 실험에 더욱 열심을 다 할 것이다.

자연과학| 2007.05.16| 6페이지| 1,000원| 조회(1,549)

정성, 분석, 실험, 양이온, 이온

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[자연과학]제2족 양이온 분석

1. 실험 목적일반적인 화학 반응에 많이 이용되는 양이온들은 그 화합물들의 용해되는 성질(침전되는 성질)이 비슷한 것들끼리 하나의 족으로 하여 나누었는데, 6개의 족으로 나눌 수 있고 적당한 침전시약을 가해 가면서 침전으로 분리해 가는 실험법을 양이온의 계통분석법이라 한다.즉, 혼합되어 있는 양이온들에 어떠한 시약용액을 가하면, 어떤 이온은 침전되고, 어떤 이온은 용액에 남는 성질을 이용한 분리법이다. 이 실험에서는 이러한 분리법을 이용하여 금속이온 중 침전 상태의 황화물을 형성하며, 산성에서 침전이 되는 양이온인 제 Ⅱ 족 양이온을 정성분석을 한다.2. 원리 및 이론,,,,,, [],, [], [] 이온은0.3N-HCl 산성 수용액 중에서 황화수소가스를 포함시키면 황화물로 침전해서 제 2 족 양이온으로 분리되어진다. 이가 제 2 족 분족시약이다. 유독가스인대신에 8% thioacet amide액을 넣고 가온(80℃)하면 용액 내에서 가수분해하여이 생겨 금속이온과 황화물이 된다.제 2 족 양이온의 황화물을 침전 분리하는 조작은, 많은 금속이온이에 의해 황화물로 침전되지만, 그 황화물의 용해도적이 다르기 때문에 제 2 족 이온의 황화물을 분리하기 위해, 산성도를 바꾸어이온 농도를 조절하여농도를 저하시킨다. 0.3N-HCl 산성에서 황화물의 침전생성이 저지된 금속이온은 제 4 족 양이온으로 분류된다.이온분족시약침전물+→↓+납이온(무색)황화수소황화납(흑색)+→+비스무드이온(무색)황화비스무드(갈색)+→↓+구리이온(청록색)황화구리(흑색)+→↓+카드뮴(무색)황화카드뮴(황색)+→↓+수은이온(무색)황화수은(흑색)+→↓+비소(Ⅲ)이온(무색)황화비소(Ⅲ)(황색)+→↓+비소(Ⅴ)이온(무색)황화비소(Ⅴ)(황색)+→↓+안티몬(Ⅲ)이온(무색)황화안티몬(붉은오렌지색)+→↓+안티몬(Ⅴ)이온(무색)황화안티몬(붉은오렌지색)+→↓+주석(Ⅱ)이온(무색)황화주석(Ⅱ)(갈색)+→↓+주석(Ⅳ)이온황화주석(Ⅳ)(황색)3. 실험 시약 및 기구- 시약 : 티오아세트아마이드(Thioacetamide),,,가 포함된 혼합 용액,,,,,,- 기구 : 비커, 여과지, 깔때기, 약주걱, 시험관, 스포이드, 유리막대, 리트머스지, 피펫4. 결과 및 계산① Ⅱ족 황화물의 침전제 Ⅱ 족 양이온,,을 포함하는 혼합 시료용액에 티오아세트아마이드를 적당량 가하고 가열한다. 그러면,,의 침전물이 위의 도표의 반응식으로부터 생성 된다. 이 때 계란 썩은 노른자와 같은 냄새가 남으로 주의하도록 한다.②의 분리①에서 생성된 침전물을 여과시키고 깔때기에 남은 침전물에를 가해준다.는 비교적 산에 잘 녹으므로 산을 제거하기 위해의 흰 연기가 나올 때까지 가열한다. 그러면 깔때기에는가 남고 여액에는,가 나오게 된다.③의 확인②에서 깔때기 위에 남은에를 적당량 가한다 그러면 아래의 반응식에 의해서 침전물이 녹게 된다.+→+아세트산납(전리도가 작다)그러면 여액에는가 존재하게 되고 여기에를 넣어 산성으로 만든 후를 넣어준다.+→↓(크롬산 납)는 아세트산에 녹기 어렵다. 10%의용액을 가하여 황색침전으로를 확인하는 방법도 있다.④와확인②의 실험에서를 거르고 남은 여액에는와가 들어있다. 이 여액에를 가하면 아래의 반응식과 같이 반응한다.이 여액을 A와 B의 시험관에 각 각 나눈다. A의 시험관에를 넣고 B의 시험관에는를 넣어 두 시험관 모두 리트머스지를 사용하여 산성인지 확인한 후 산성이 되었을 경우, A시험관에는 티오아세트아마이드를 가열하면서 넣고 B시험관에는을 넣어 반응을 확인한다. 각 각의 시험관에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.A 시험관 :+ 티오아세트아마이드 →↓검은색 침전B 시험관 :↓핵사시아노철(Ⅱ)산 구리(Ⅱ), 붉은 갈색 침전그래서 우리는 A시험관의 검은색 침전물을 보고를 확인 할 수 있고, B시험관의 붉은 갈색 침전을 보고를 확인 할 수있다.5. 고찰- 이번 실험 또한 저번 실험과 같이 양이온의 정성 분석 이였지만 이전 실험보다 훨씬 어렵고 복잡하였다. 그래서 교수님께서 설명해주신 실험과정을 완벽히 숙지하고 더욱 주의하여 실험을 하려고 노력했다. 이번 실험은 더욱이 독한 냄새가 많이 나서 작은 후드 안에서 모든 조가 실험을 해야 해서 질서를 지켜 실험을 해야 했다. 실험 과정 중 화합물을 가열하는 순서가 있는데 이 때 시험관의 입구가 다른 학생 쪽으로 향하지 않도록 주의해야 한다. 고등학교 때 실험할 때 요오드팅크를 가열하다가 너무 가열하는 바람에 터진 적이 있었다. 다행히도 다친 사람은 없었지만 다음부터는 화합물을 가열할 때 각별히 주의한다. 그리고 이번 실험에서 암모니아수를 사용하였는데 예전에 암모니아수를 엎질러 냄새 때문에 고생한 적이 있어서 꼭 후드에서 실험을 하려고 노력하였다. 실험 도중 너무 진한 HSO때문에 거름종이가 찢어져 다시 실험해야 하는 일도 있었는데 이를 해결 하기 위해 H

자연과학| 2007.05.16| 4페이지| 1,000원| 조회(865)

실험, 시약, 양이온, 침전, 성질

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[공학기술]전기 화학

1. 전기란?전기는 이제 우리생활에서 빼놓을 수 없는 필수품이다. 문명 사회에 살고 있는 우리로서는 누구나 전기의 신세를 지지 않고는 단 몇 시간도 보낼 수 없게 되었기 때문이다.그럼 전기란 도대체 무엇인가. 이런 질문을 받으면 전문적인 교육을 받은 사람들조차도 당황하게 된다.전등에서 전기는 빛이 되고, 전기스토브나 다리미에서는 열이 되는가 하면 또 전자석으로 이용될 경우, 쇠붙이를 끌어당기는 힘도 생긴다.그러나 이러한 전기의 작용을 생각해 보아도 전기 자체가 어떤 것인가에 대한 규명은 되지않는다.전기의 정체를 규명하기 위해 인류는 오랫동안 노력해 왔다. 이미 4백여년 전부터 자연계에는 전기라는 것이 있다는 사실이 알려져 있었다. 그래서 많은 학자나 연구가들이 이에 대한 연구를 했지만, 전기가 어떻게 하면 일어나느냐에 대한 현상규명에 불과했다.물체와 물체를 서로 문지르면 마찰전기가 일어난다거나, 천둥 번개도 일종의 전기일 것 같다는 등을 알아낼 수 있었지만, 전기 그 자체의 정체는 밝혀내지 못했다. 그러나 이러한 현상을 중심으로한 전기의 연구는 꾸준히 계속되었다.또 전기의 정체를 모르면서도 전기를 이용한 발명품은 계속 나왔다. 1879년 에디슨이 발명한 백열전구도 이러한 발명품 중의 하나였다. 전선을 타고 흐르는 전기의 정체는 물론 에디슨도 알지 못했었던 것이다.전기의 정체가 처음으로 규명된 것은 1897년의 일로 에디슨이 백열전구를 발명한 이후 20년쯤이 지나서 영국의 물리학자 J.J.톰슨이란 사람에 의해서 밝혀졌다.톰슨은 여러 가지 실험 끝에 전기라는 것이 아주 미세한 입자라는 것을 알아냈다. 그는 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 한다는 것을 알고, 전자(일렉트론)라고 이름을 붙였던 것이다.2. 화합물이란?2종 이상의 원소의 원자(原子)가 화합해서 생긴 물질.원칙적으로 각 원소의 결합 비율이 1개의 화합물에 대해서 일정하며, 이 점에서 혼합물(混合物)과 구별된다. 즉, 그 제조법 ?소재 등이 항상 일정한 조성을 가지며, 또 어느 부분을 취해서 보아도노동자의 기능에 의존하던 공정이 기계화 ?자동화 ?연속화되기 때문에 노동의 내용이 경험적 수노동(手勞動)으로부터 계측기의 감시, 장치의 운전조작 등 지적 단순노동으로 변한다. 한편, 장치의 수리 ?보전, 원료의 반입, 제품의 포장, 수송에 대한 종사, 그리고 보조공정에서는 경험적 수노동, 육체적 단순노동도 있다. 또한 노동수단의 양에 대하여 노동의 양이 적다. 즉 자본의 기술적 구성이 매우 높아진다.③ 화학공업에서는 여러 분야가 서로 관련이 있기 때문에 주요 원료와 부원료의 구별이 명확하지 않고, 동시에 부산물이 중요한 비중을 가진다. 특히 원료나 생산물의 기술적인 관련에 의해 많은 기업과 공장이 파이프로 결합되어 콤비나트를 형성한다. 이것은 ①의 특질과 서로 작용하여 화학공업에 있어서 독점체의 형성을 촉진시킨다.④ 화학공업이 이용하는 화학적 기술과 생산방법은 연구의 진전에 따라 날로 변화 ?발전하므로 새로운 제법, 새로운 제품의 연구와 개발이 중요한 의의를 가진다. 동시에 방대한 연구비를 투자할 수 있는 독점적 대기업은 기술을 독점함으로써 생산의 독점도 아울러 확보할 수 있다. 따라서 생산기술의 급격한 혁신과 그 독점은 화학공업에 있어서 중요한 특질의 하나이다.2) 전기 분해화학에너지를 전기에너지로 바꿀 때 일어나는 자발적인 산화 환원 반응과는 달리 전기분해(electroysis)는 전기에너지를 써서 비자발적인 화학반응을 일어나게 하는 과정이다.(1) 용융 염화나트륨의 전기분해용융상태에서 이온 화합물인 염화나트륨은 전해되어 나트륨 금속과 염소를 만든다. 그림 20.15(a)는 NaCl을 대규모로 전해하는 데 쓰이는 다운스 (Downs) 전지의 그림이다. 용융 NaCl에 있어서 양이온과 음이온은와이온이다. 그림 20.15(b)는 전극에서 일어나는 반응르 간소화한 그림이다. 전해 전지에는 전지에 연결된 한 쌍의 전극이 들어있다. 전지는 산화가 일어나는 양극에서 전자를 빼내서 환원이 일어나는 음극으로 보내주는 “전자펌프”의 역할을 한다. 전극에서 일어나는 반응은 -0.83V(5) 2(aq) + 2->(g)= 0.00V반응 (3) 은 아주 큰 음의 표준 환원 전위를 가지므로 제외된다. 반응 (5)는 표준상태의 조건에서 (4)보다 일어나기 쉽다. 그러나 pH7(NaCl 용액의 경우)에서는 이 두반응은 똑같이 일어날 수 있다.이온의 농도가 너무 작아서 (1×M) (5)를 선택하는 것은 합리적이 아니기 때문에 일반적으로 (4)를 음극 반응으로 쓴다.따라서 염화나트륨 수용액의 전기분해 반응은 다음과 같다.양극(산화) : 2(aq) ->(g) + 2음극(환원) : 2(l) + 2->(g) + 2(aq)전체 : 2(l) + 2(aq) ->(g) + 2(aq) +(g)전체 반응이 나타내는 바와 같이 전기분해 동안에이온의 농도는 감소하고이온의 농도는 증가한다. 따라서와외에도 전기분해의 마지막에 수용액을 증발시킴으로써 유용한 부산물인 NaOH를 얻을 수 있다.(4) 전기분해의 정량적 관계전기분해의 정량적 취급은 패러데이에 의하여 처음으로 밝혀졌다. 그는 한 전극에서 생성되는 생성물(또는 소모되는 반응물)의 양이 전극으로 이동한 전기의 양과 해당 물질의 물 질량에 비례한다는 것을 알았다. 보기를 들어 용융 염화나트륨의 전기분해에 있어서의 음극 반응은이온 한 개가 전극으로부터 전자 하나를 받을 때 한 원자의 Na가 생김을 뜻한다. 1mol의이온을 환원하기 위해서는 아보가드로수(6.02×)의 전자를 음극에 공급해야 한다. 다른 한편으로, 양극 반응의 화학양론은 두 개의이온으로부터 양극으로 이동하는 결과이다. 똑같이 1mol의이온을 환원시키기 위해서는 2mol의 전자, 그리고 1mol의이온을 환원하려면 3mol의 전지가 필요하다.+ 2-> Mg+ 3-> Al따라서2F1mol3F1mol의 관계가 있다. 여기서 F 는 패러데이 이다.전기분해 실험에서는 일반적으로 일정 시간 동안에 전기분해 전지를 통해 흐르는 전류(암페어, A로)를 측정한다. 전하(쿨롱, C로)와 전류 사이의 관계는1C = 1A × 1s그림 20.18은 전기분해에서 생성되는 물질의매우 적다. 화학적인 전지는 1차전지와 2차전지로 나누어진다. 1차전지는 작용물질을 전극 가까이에 미리 넣어 두고, 이 물질의 화학변화에 의해 생기는 전기에너지를 이용하는 것으로, 작용물질의 화학변화가 끝나면 수명(壽命)을 다하여 재생할 수 없게 된다.이것에는 많은 종류가 있는데, 건전지로서 널리 사용된다. 2차전지는 전기에너지를 방출하여 작용물질이 변화한 후 전지에 전기에너지를 공급, 즉 충전함으로써 작용물질이 재생되어 이를 되풀이할 수 있는 것으로, 축전지로서 많이 사용된다. 연료전지는 넓은 뜻의 1차전지이며, 작용물질을 계속 외부로부터 공급하는 형식이다.이에 대한 발상은 19세기 초부터 있었으나, 실용화된 것은 얼마 전의 일이다. 물리작용을 이용하는 전지에는 태양전지?열전지?광전지(光電池) 등이 있다.2) 화학전지의 개념① 금속을 그 금속 이온의 용액에 담그면 금속과 금속 이온이 평형을 이룬다.② 금속으로부터 이온이 용액으로 들어가고 뒤에 전자를 남기며, 용액 내의 이온은 금속으로부터 나온 전자와 결합한다.③ 산화-환원 반응 : 반쪽 반응으로 분리－ 반쪽 반응으로 분리 : 화학반응을 완결하는 하나의 수단－ 어떤 경우에는 한 개의 반응을 반쪽 반응들로 물리적으로 분리④ 전지의 작동－ 자발적 반응으로부터 얻은 유용한 에너지나 일은 산화 반쪽 반응으로부터 나온 전자를 외부 회로를 통해 환원 반쪽 반응으로 흘리는데 이용3) 화학 전지(1) 건전지액체 성분이 들어 있지 않은 전지인 가장 일반적인 건전지는 회중 전등이나 휴대용 CD 레코드등에 사용되는 건전지 이다. 이 전지의 양극은 아연통, 또는 이산화망간(Mn)과 한 전해질이 접해 있는 용기로 된다. 이 전해질은 물에 녹인 염화 암모늄과 염화아연으로 이루어져 있는데, 녹말을 가해서 반죽으로 만들어 용액보다 덜 새도록 한다. 음극은 탄소막대로서 전지의 중심에 있는 용액에 담근다. 전지 반응은 다음과 같이 요약된다.양극(산화) : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-음극(환원) : 2MnO2(s) + 2NH4+(q) + 2e- → Pb(s) + HSO4-(aq)음극(환원) : PbSO4(s) + 2H2O(l) → PbO2(g) + 3H(aq) + HSO4-(aq) + 2e-전체 : 2PbSO4(s) + 2H2O(l) → Pb(s)+PbO2(s) + 2H(aq) + 2HSO4-(aq)전체 반응은 정확히 정상적인 전지 반응의 반대이다.납 축전지의 가동에서는 두 가지 면이 주목할 만한 가치가 있다. 첫째, 전기화학적 반응이 황산을 소모시키므로 전지가 방전된 정도를, 일반적으로 주유소에서 하는 바와 같이, 액체 비중계를 써서 전해질의 밀도를 측정함으로써 검사할 수 있다. 충분히 “온전하게” 충전된 전지의 액체 밀도는 1.2g/mL 와 같거나 커야한다. 둘째, 추운 기후에서 사는 사람들은 전지가 “나감”으로써 자동차의 시동을 거는 데 고생할 때가 있다. 열역학적 계산을 해보면, 많은 화학전지의 emf는 온도가 내려감에 따라 감소한다. 그러나 납 축전지에 대한 온도 계수는 약 1.5×10V/C 로서, 온도가 1℃ 내려감에 따라 전압이 1.5×10V 감소한다. 따라서 온도의 변하가 40℃라 하더라도 전압의 감소는 다만 6×10V에 불과하다. 이것은 가동 전압의×100％ = 0.05 ％약6×10V12V이고, 무의미한 변화이다. 이 전지에 있어서 외견상 실제 원인은 온도가 올라감에 따라 전해질의 점성도가 증가하는 데 있다. 전지를 정상적으로 작동하기 위해서는 전해질이 제 구실을 온전히 다 해야 한다. 그러나 이온들은 점성이 큰 매질에서는 아주 느리게 움직이므로, 근처까지 온도를 올리면 정상적인 출력을 낼 수 있는 능력을 회복한다.(4) 연료 전지화학 연료는 에너지의 주된 원천이지만 화석 연료를 전기 에너지로 바꾸는 일은 아주 비효율적인 공정이다. 메테인의 연소를 생각해 보자.CH(g) + 2O(g) -> CO(g) + 2HO(l) + 에너지전기를 발생 시키기 위해서는 반응할 때 생성하는 열을 먼저 물을 수증기로 바꾸는데 사용해야 하며, 발생된 수증기가 발전기를 가동시키는 터빈을 돌린.

자연과학| 2007.05.16| 15페이지| 1,000원| 조회(295)

전기화학, 전지, 전기, 기전력, 패러데이, 화학 전지, 전기 분해

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용액의 상평형과 임계점과의 관계

1. 요약 : 상평형과 임계점의 정의를 알고 그 관계를 알아본다.2. 이론° 상평형 : 몇 개의 상이 공존하여 열역학적으로 평형상태를 이루고 있는 것.이 때 각 상을 이루는 각 성분의 화학퍼텐셜은 같다는 조건이 성립된 다. 상평형을 이루고 있는 경우에는 J.기브스의 상규칙이 성립한다. 상 평형에는 순물질에서 다른 상 사이에 이루어진 상평형의 경우와, 서로 다른 상에 있는 다성분계의 상평형의 경우가 있는데, 각각 취급이 다른 다.° 상 규칙과 상 평형 그림순수한 물질이나 용액의 상 전이는 일정한 온도에서 일어나지만 용매와 용질 분자의 녹는점이 서로 가까울 때는 특이한 성질 즉, 넓은 온도에 걸쳐서 녹음 현상이 나타난다. 이러한 현상은 생물학적으로도 중요한 의미 (세포막 등)를 가지고 있다.상의 수, 성분의 수 및 자유도와의 관계를 나타내는 상 규칙을 논의하면 이러한 사실을 이해할 수 있다. 화학적, 물리적으로 전체가 균일한 계의 일부를 상, 평형계에서 어떤 상의 조성을 기술하는데 필요한 충분한 화학종의 최소 수를 성분의 수, 어떤 계의 상태를 정하기 위하여 규정하는 세기 변수의 최소 수를 자유도라 정의한다.1878 년 J.W.Gibbs 는 상의 수 P, 성분의 수 C, 자유도 f의 관계를 유도하여 다음과 같은 식으로 발표하였다.f= C - P + 2이 식을 Gibbs의 상 규칙 또는 상률이라고 한다.추상적인 상 규칙이 무엇을 나타내는지 1 성분계인 물을 예로 들어 설명한다. 순수한 물이 여러 가지 온도와 압력에서 몇 개의 상을 가질 수 있을까? 그림 7-8의 상평형 그림을 살펴 보자.TC는 증기압 곡선으로 물과 수증기가 평형상태로 존재하는 온도와 압력을, 점 C 는 임계점을 나타내며 그 이상의 온도에서는 액체가 존재하지 않는다. 곡선상에 있는 평형상태의 한 점에서 온도와 압력을 변화시켜 면상의 어떤 점으로 이동시킬 수 있다.그림 7-8의 점 1에서 온도를 내려 점 2의 액체상에 도달시킬 수 있으며 압력을 증가시켜도 액체상인 점 3으로 변화시킬 수 있다. 순수한 액체상에서는 T와 P가 독립적으로 정해지므로 f=2 이다. 그러나 곡선상의 점에서는 f=1 로서 온도가 정해지면 자연적으로 압력이 정해지고 그 역도 성립한다. TB는 얼음과 수증기가 평형상태로 존재하는 승화곡선을, TA는 얼음과 물이 평형을 이루고 있는 녹음곡선을 나타낸 것이다. 또한 T점에서는 세 상이 공존하는 삼중점으로 자유도는 영이다.두 성분으로 이루어진 용액을 생각하여 보자. 상 규칙을 적용하면 f=0 일 때 P=4 즉, 고체 용질, 고체 용매, 증기상의 네 가지 상이 공존한다. 하나의 변수 즉, f=1 일 때는 세 가지의 상이, f=2 일 때는 두 가지의 상이, f=3 일 때는 한 가지 상이 존재한다.만약 용질과 용매의 녹는점이 약간 다를 때는 상 전이들이 겹쳐지고 두 전이를 포함하는 전체 온도 범위에 걸쳐 이중상의 상태가 존재한다. 두 상이 미세하게 분산되어 잘 혼합되면 그 혼합물은 액체와 비슷하거나 반고체와 같이 될 것이다. 녹는점이 약간 다른 제 3 의 물질을 가하면 반고체 상태는 보다 넓은 온도 영역에서 막의 구조나 성질을 알아내는데 중요하다. 주로 단백질과 지질로 이루어진 이러한 막들은 높은 유동성을 가지므로 당을 수송하고 신경 충격을 전달하는 역할을 한다. 또한 선택성과 투과성을 갖고 있는 것으로 알려졌다.< 그림 >° 임계점< 그림 4 >에서 상태 A에 있는 기체 시료를 일정한 온도에서 압축시키면(예 컨대 피스톤으로 눌러서) 어떻게 되는가를 생각하여 보자. A 부근에서는 대체로 Boyle의 법칙에 따라서 압력이 증가한다. 그러나 부피를 B로 표시한 점까지 감소시키면 Boyle의 법칙으로부터 심하게 벗어나기 시작한다.C에서는 (이산화탄소의 경우 약 60atm에 해당한다.) 이상적 행동이 전혀 없어진다. 즉 여기서는 압력을 증가시키지 않아도 갑자기 피스톤이 쉽게 미끄러져 들어 간다. 이 단계를 나타낸 것이 수평선 CDE이다. 용기 속을 조사해 보면 C의 바로 좌측에서는 액체가 나타나며, 두 개의 상이 뚜렷한 경계면에 의해서 분리되어 있음을 볼 수 있을 것이다. 그리고 부피가 C로부터 D를 거쳐 E로 감소함에 따라 액체의 양이 늘어날 것이다. 이것은 기체가 응집되기 때문에 피스톤에 아무런 저항도 나타내지 않기 때문이다. 선 CDE에 해당하는 압력을 그 실험 온도에서의 액체의 증기 압력이라고 부른다. 이 압력과 온도에서 기체와 액체는 평형을 이룬다.E에 도달하면 기체는 모두 액체로 되어 피스톤이 액체 표면 위에 얹히게 된다. 이 상태에서 시료의 부피를 더 이상 감소시키려면 상당히 큰 압력을 가해야 하며, 이 사실이 E의 좌측에 급격하게 상승하는 선으로 반영되어 있다. E로부터 F까지 부피를 조금만 감소시키려고 해도 큰 압력 증가가 필요하다.온도에 대해서는 304.19K, 또는 31.04℃)에서의 등온 곡선은 물질의 상태에 관한 이론에서 매우 중요한 역할을 한다.보다 극히 조금만 낮은 온도의 등온 곡선은 위에서 이미 설명한 방식에 따라 행동한다. 즉 특정한 압력에서 기체가 액체로 응집되며, 이 두 상이 눈에 보이는 표면에 의해서 뚜렷하게 구분한다. 그러나 만일에서 압축을 시키면 두 상을 분리시키는 표면이 나타나지 않으며, 등온 곡선의 수평 부분 양 끝이 한 점으로 수렴되고 두 점에서의 부피가 같게 된다. 이 점을 기체의 임계점이라고 한다. 그리고 이 임계점에서의 온도, 압력, 그리고 몰부피를 각각 그 물질의 임계온도, 임계압력, 그리고 임계 몰부피라고 부른다. 그리고,, 및를 통틀어서 임계 상수라고 한다.와 그 이상의 온도에서는 시료가 용기의 전체 부피를 차지하는 단일 상을 이룬다. 이러한 상은 기체로 정의된다. 따라서 임계 온도 이상에서는 액체상이 형성되지 않는다. 예로서 산소의 임계온도는 154.8K인데, 이보다 높은 온도에서는 압축만 가지고 액체 산소를 만들 수 없다. 용기의 전체 부피를 차지하지 않는 액체 상을 얻으려면, 즉 이 기체를 액화시키면 우선 기체의 온도를 154.8K 이하로 내린 다음에 등온적으로 압축시켜야 한다.

자연과학| 2007.05.16| 4페이지| 1,000원| 조회(716)

상평형, 임계점, 상규칙

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평형상수와 르샤트리에 원리

Ⅰ 서론우리는 수업시간에 평형상수는 평형상태에 도달했을 때 반응물과 생성물의 몰농도 비이고 르샤트리에의 원리는 가역 반응이 평형 상태에 있을 때 반응 조건을 변화시키면, 그 조건의 변화를 감소하려는 방향으로 반응이 진행되어 새로운 평형 상태에 도달한다는 것을 배웠다. 이번 리포트에서는 평형상수와 르샤트리에의 원리를 조금 더 자세히 알아보도록 한다.Ⅱ 본론《평형 상수》1. 평형상수화학반응에서 평형의 위치를 나타내는 방법 중의 하나는 반응물과 생성물의 평형농도를 나타내는 것이다. 평형상수식은 주어진 온도에서 평형을 이룰 때 반응물과 생성물의 농도와 숫자상의 상수를 관련시킨다. 이 식은 평형이 이루어졌을 때 존재하는 반응물의 수와 생성물의 수로 나타낸다.반응물과 생성물의 평형농도가 간단한 방법으로 관련된다는 개념은 수소와 요오드가 반응하여 요오드화수소를 형성하는 반응과 같은 실험을 통해 쉽게 설명할 수 있다.H(g) + I(g)2HI(g)대부분의 실험에서, 평형을 이룰 때 아래 식과 같은 비는 425℃에서 수행한 모든 실험에서 실험적 오차 범위 내에서는 항상 같은 값이다.반응식H(g) + I(g)2HI(g)초기 농도0.01750.01750평형에 도달할 때까지의 농도 변화-0.0138-0.0138+0.0276평형농도0.00370.00370.0276예를 들어 플라스크에 425℃에서 농도가 각각 0.0175mol/L인 H와 I가 충분히 드러있다고 하자. 시간이 흐른 후 H와 I의 농도는 감소하고, HI의 농도는 증가한다 ; 마침내 평형상태에 도달하였다. 플라스크 속의 기체를 분석한 결과 [H]=[I]=0.0037mol/L인 반면, [HI]=0.0276mol/L가 되었다.이 평형농도값을 앞의 식에 대입하면, 비는 약 56으로 주어진다(유효숫자가 큰 실험 정보가 포함되면 55.64가 된다).반응에 대한 접근 방향이 어느 쪽이든지 (H와 I를 혼합하든지, 또는 HI를 분해하든지), 초기 농도가 얼마이든지 간에 425℃일 때 모든 실험에서 이 비는 항상 같다. 만약 2.00mo식으로 계산할 수 있음을 증명하였다. 다음과 같은 일반적인 반응을 생각해 보자.aA + bBcC + dD이 반응에서 반응물과 생성물의 평형농도는 항상 평형 상수식과 관련이 있다.(16.1)식 16.1에서 분자에는 생성물의 농도를 나타내고, 분모에는 반응물의 농도를 나타낸다. 각각의 농도는 균형방정식의 화학량론적 계수만큼 제곱해 준다. 상수 K의 값은 특정 반응과 온도에 의존한다.주어진 반응에 대한 평형상수값은 평형에 도달했을 때 반응에 대한 정보를 제공한다. 평형상수식의 몇 가지 특성을 공부한 후에, 다시 이것에 대해 설명하도록 하겠다.2. 평형 상수식의 표기1) 고체와 물을 포함하는 반응화학반응에서 평형상수식을 이용할 때, 몇 가지 규칙을 알아야 한다. 예를 들어 노란색 고체인 황은 산화되어 무색의 이산화황 기체가 된다.S(s) +O(g)SO(g)분자에는 생성물을, 분모에는 반응물을 나타내는 일반적인 규칙을 따르면, 다음과 같이 쓸 수 있다.황은 분자성 고체이며, 고체 내에서 분자의 농도는 일정하다. 따라서 황의 농도는 반응응ㄹ 일으키거나, 어떤 고체를 가하거나 제거하여도 변하지 않는다. 더욱이 평형상태에서 고체 황이 존재하는 한 황의 양에 의해 O와 SO의 평형농도가 변하지 않는다는 것은 실험적인 사실인다. 그러므로 관례에 의해, 화학자들은 고체 반응물이나 생성물의 농도는 평형상수식에 포함시키지 않는다. 따라서 황과 산소의 반응에 대한 평형상수식은 다음과 같이 나타내어야 한다.여기서 K=4.2×10(25℃에서)이다.수용액에서 일어나는 반응에 대해서도 특별히 고려해야 할 사항이 있다. 물과의 상호작용으로 인해 약한 염기인 암모니아를 생각해 보자.NH(aq) + HO (l)NH(aq) + OH(aq)이 반응에서 물은 용매로 사용되었다. 물의 농도는 묽은 용액에서도 크며, 반응에 의해 변하지 않는다. 이러한 이유 고체의 농도와 마찬가지로 물의 농도 또한 평형상수식에 포함시키지 않는다. 따라서 평형상수식은 다음과 같이 나타낸다.K=1.8×10(25℃일 때)이다.2배열한 P=(n/V)RT 라는 식으로부터 기체 물질의 부분압은 몰농도(n/L)에 비례한다는 것을 알 수 있다. 부분압을 이용하여 평형상수식을 나타낼 때에는 K에 아래첨자 p를 붙여 K로 표현한다. 어떤 경우에는 K와 K값이 같지만, 대개 두 값은 다르다.이 리포트에서는 부분압을 이용하여 K를 나타내는 것이 더 적당한 기체상태의 반응을 논의할 경우를 제외하고는, 농도가 mol/L로 주어질 경우 일반적으로 평형상수 K를 사용할 것이다. K와 K의 관계를 식,K= K(RT)으로 나타낼 수 있다. (n = 기체상 생성물의 총 몰수 - 기체상 반응물의 총 몰 수)3) 평형상수의 의미평형상수의 크기는 반응이 생성물-우세인지, 또는 반응물-우세 인지를 나타낸다. 더욱이 평형에서 얼마나 많은 생성물이 존재하는지도 알 수 있다. 이것은 화학자와 화학기술자에게 유용한 정보이다.큰 K의 값은 반응이 평형을 이룰 때 많은 양의 반응물이 생성물로 바뀐다는 것을 의미한다. 즉 평형에서 반응물보다 생성물 쪽으로 강하게 치우친다. 예로서, NO + O반응이다.K1 : 반응이 생성물-우세이다 ; 생성물의 평형농도가 반응물의 평형농도보다 크다.NO(g) + O(g)NO(g) + O(g) K=6×10(25℃에서)K1이므로,이다. 매우 큰 K의 값은, 만약 NO와 O의 화학량론양을 플라스크 속에서 혼합하여 평형에 이르도록 하면, 실질적으로 반응물을 찾을 수 없게됨을 의미한다. 본질적으로 모두 NO와 O로 바뀌게 된다. 이때 화학자는 “반응이 완결되었다.”라고 말한다.이와 반대로 작은 K의 값(산소에서 오존을 만드는 반응에서와 같이)은 반응이 평형을 이룰 때 적은 양의 반응물이 생성물로 바귄다는 것을 의미한다. 다시 말해, 평형에서 생성물보다 반응물 쪽으로 강하게 치우친다.K1 : 반응이 반응물-우세이다 ; 반응물의 평형농도가 생성물의 평형농도보다 크다.O(g)O(g) K= 2.5×10(25℃에서)K=K1이므로, [O][O]이다. 매우 작은 K의 값은, 만약 O를 플라스크 속에 넣은 다음 평형에 하여, 이것을 이용하여 반응물과 생성물의 평형농도를 구한다.[N] = 0.80 - 6.3×10? 0.80M[O] = 0.20 - 6.3×10? 0.20M[NO] = 2x = 1.3×10M이러한 결과는 우리에게 중요한 사실을 알려준다. 이 예제에서 형성된 NODML 양은 소모된 N및 O의 양과 같이 매우 적음에 유의하라. 실제로 N와 O의 농도는 평형에 도달하는 과정에서 변하지 않는다(유효숫자 두 자리에서). 반응물의 농도 변화가 매우 작아서, 평형계산은 한 가지 가정을 하여 간단히 할 수 있다. 여기서 x가 0.80또는 0.20에 비애 매우 작다고 가정하자. 이것은 농도가 0.80 - x ? 0.80 이거나, 0.20 - x ? 0.20임을 의미한다.1.0×10=1.6×10= 4= 6.3×10가정을 통해 구한의 값은 2차방정식에서 구한 값과 같다.미지의 양가 너무 작아서 2차 방정식이 필요없는 단순화된 방정식을 이용 할 수 있는 경우를 어떻게 알 수 있을까? 대부분의 평형계산에서, 양()이 초기에 존재하는 가장 작은 양(여기서는 0.20)의 5％보다 작을 경우 무시할 수 있다. 이 예제에서, 근사식으로부터[(6.3×10)/0.20]100％=0.32％ 이다. 일반적으로, 이러한 형태의 평형문제를 풀때는 (a) 미지수()는 작으며, 근사식으로 풀 수 있다고 가정한다. 그런다음 (b)이 갖ㅅ을 이용할 수 있는 가장 작은 양과 비교한다. 만약 결과가 가장 작은 양의 5％보다 작을 경우, 2차 방정식을 이용한 완전한 방정식을 풀 필요는 없다.《Le Chatelier 원리》화학반응으로부터 최대량의 생성물을 얻는것은 적당한 반응조건의 선택에 달려있다. 반응조건을 변화시킴으로써 생성물의 수득률이 증가하거나 감소하는데, 기체반응의 혼합물에 대한 평형조성을 변화시키고 생성물의 수득률을 증가시키는 데에는 세 가지 방법이 있다.1. 생성물의 제거 또는 반응물의 첨가원하는 생성물의 수득률을 증가시키는 하나의 방법은 반응혼합물에서 생성물을 제거하거나 그것에 반응물을 첨가하여 농도를 변7mol CH, 그리고 0.387mol HO이다. 메탄의 수득률을 개선하기 위해 물질 중의 하나를 제거하거나 첨가하여 조성을 변화시킬 수 있을까?이 질문에 답하려면 Le Chatelier 원리를 적용해야 한다. 이것은 화학평형에 있는 계의 온도, 압력 또는 농도를 변화시키면 평형이 깨져서 계의 조성이 변수의 변화를 상쇄시키는 방향으로 이동하는 것을 이른다. 물질의 농도를 변화시키기 위해 평형혼합물에 물질을 제거하거나 첨가한다. 이때 화학반응이 일어나서 제거 혹은 첨가한 물질의 처음 농도가 부분적으로 회복된다. (그렇지만 물질의 농도가 변할 수 없을 때, 순수한 고체 또는 액체의 반응물 혹은 생성물인 경우 평형에서 양의 변화는 없다.) 예를 들면, 메탄화 반응에서 평형혼합물을 포함하는 반응용기로부터 수증기를 제거하면 Le Chaterlier 원리에 의해 부분적으로 수증기의 처음농도가 회복되는 쪽으로 반응이 일어난다. 이는 순간적으로 정반응쪽으로 메탄화반응이 진행되는 것을 의미한다.CO(g) + 3H(g) → CH(g) + HO(g)평형이 다시 이루어질 때까지 정반응쪽으로 진행되어 수증기와 메탄의 농도가 증가한다.이 반응에서 실제 수증기를 제거하려면 반응혼합물을 빨리 냉각시켜 물로 응축시켜야 한다. 액체상태의 물을 제거하고 새로운 평형에 도달할 때까지 기체를 다시 가열한다. 메탄의 농도가 증가할 때 수증기의 농도도 증가한다. 메탄의 수득률을 어떻게 개선하는지 알아보자.더 많은 생성물을 얻기 위하여 과량의 싼 반응물을 첨가하는 것이 유용하다. 이런 방법으로 더 비싼 반응물이 생성되는 반응이 일어나도록 할 수도 있다.암모니아의 합성을 생각해 보자.N(g) + 3H(g)2NH(g)가능한 한 많은 수소로부터 암모니아를 얻으려면 질소의 농도를 증가시켜야 한다. 이것을 이해하기 위해 먼저 평형상태에 있는 질소, 수소, 암모니아의 혼합물을 생각해보자. 혼합물에 질소를 첨가하면 평형이 깨지는데, Le Chatelier 원리에 의하면 첨가된 질소가 사용되는 방향으로 반응이 일어난

자연과학| 2007.05.16| 11페이지| 1,000원| 조회(1,058)

평형상수, 평형, 반응물, 생성물, hi

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