[실험노트] 일반화학2 실험 7. 평형상수와 용해도 곱

1. 실험 제목 : 평형 상수와 용해도 곱

 

2. 실험 날짜 :

 

3. 실험 목적 :

색깔을 비교하는 방법으로 착이온의 농도를 알아내어 착이온 생성 반응의 평형 상수를 결정하고,  Ca(OH)2 포화 용액에 공통 이온 효과를 이용해서 용해도 곱 상수를 결정한다.

 

4. 실험 이론 :

화학 평형은 화학 반응에 있어서 정반응 속도와 역반응 속도가 같아져 겉보기에는 화학반응이 일어나지 않은 것처럼 보이는 상태다. 상당수의 화학반응에서 반응물이 생성물로 완전히 변하지 않고, 결과적으로 화학 평형 상태를 유지한다. 화학 평형에 도달하게 되면 온도, 압력 등의 실험 환경이 변하지 않는 이상 반응물과 생성물의 양이 변하지 않는다.

화학평형상태는 동적 평형상태로, 거시적으로는 반응물과 생성물의 양이 변화하지 않으나 실제로 반응은 계속 일어나고 있는 상태이다. 따라서 화학 평형은 전혀 이루어지지 않는 정적 평형상태와는 구분된다.

이번 실험에는 착이온 FeSCN(2+)이 생성되는 반응과 수산화칼륨 Ca(OH2)이 물에 녹는 반응의 평형 상수를 측정한다.

질산철(III)용액 + 싸이오사이안산포타슘(KSCN)용액 -> 착이온 (FeSCN(2+) : 짙은 붉은색)

질산철(III)용액 + 싸이오사이안산포타슘(KSCN)용액 -> 착이온 (FeSCN(2+) : 짙은 붉은색)

 

비색법 : 농도를 알고 있는 표준용액의 색을 가지고 미지 농도의 용액의 색 비교를 통해 농도를 알 수 있는 방법

베르의 법칙 : Beer's Law 용액에 의하여 빛이 흡수되는 정도는 용액의 농도와 빛이 용액을 통과하는 거리의 곱에 비례한다.

A=ebc (e=물 흡광계수, b=셀의 두께 (cm), c=용액의 농도(M))

용해도곱 상수 : solubility product 물속에 녹아있는 이온의 농도만으로 된 평형 상수 난용성 염인 AB(s)가 있다고 하자, 일단 AB(s)는 난용성염이므로 일부가 녹아 AB(aq)를 형성하고 AB(aq) = A+(aq) + B-(aq)를 형성하게 된다.

여기서 평형상수K는

 

포화 용액에서 AB(aq)의 농도는 일정하므로,

[A+][B-] = K[AB](aq) = Ksp

 

여기에서 AB(aq) 온도와 이온의 세기가 일정한 때는 일정하므로 위 식의 우변은 상수가 된다.

이 상수를 용해도 곱이라 하며 Ksp로 표시한다.

이 실험에서 과량의 수산화칼슘을 물에 넣어 포화 용액을 만듦

평형상수와 용해도 곱

 

*고체 수산화칼륨은 화학 퍼텐셜이 일정하기 때문에 평행에 영향을 미치지 않는다.

*용해도 곱 상수는 온도에 비례한다.

공통 이온 효과 : 이온 평형계에 그 평형에 참여하는 이온과 공통되는 이온을 외부에서 넣어주면 평형은 그 이온 농도를 감소시키는 방향으로 이동한다. 이 실험에서 수산화칼륨의 포화 용액에 OH-를 더 넣어주면 평형이 왼쪽으로 이동하면서 Ca2+의 농도가 감소하고 Ksp는 일정한 값을 유지한다. 농도를 알고 있는 NaOH용액에 수산화칼륨을 포함시킨 후에 용액 속에 남아있는 OH-의 농도를 염산 표준액으로 적정해서 결정한다.

르샤틀리에의 원리 : 평형상태에 있는 계에 조건들이 변화하면 계는 더 이상 평형에 있지 못하고 변화한다. 계는 가해진 조건들을 부분적으로 반대되거나 상쇄하는 쪽으로 반응하여 새로운 평형상태로 조절될 것이다. 평형이 이동된다거나 조절된다고 말할 때 이것은 반응이 정방향이나 역방향으로 일어나 새로운 평형상태에 도달할 때까지 모든 반응물이나 생성물의 농도가 변화함을 의미한다.

 

5. 실험방법

-실험 A 평형 상수의 결정

1) 다섯 개의 시험관에 번호를 붙여서 시험관대에 나란히 꼽아두고 새로 만든 0.002M KSCN용액 5ml씩을 눈금실린더로 측정해서 넣는다.

2) 1)번 시험관에 0.2M Fe(NO3)3 용액 5.0ml를 눈금실린더로 측정해서 넣고 잘 흔들어준다.

3) 0.2M Fe(NO3)3 10ml를 10ml 눈금 실린더로 측정해서 50ml 눈금실린더에 넣고 증류수를 가해서 전체 부피가 25ml가 되도록 한다. 용액을 비커에 옮겨서 잘 섞은 다음 5.0ml를 덜어서 두 번 시험관에 넣고 잘 흔들어준다.

4) 3)에서 만든 Fe(NO3)3dyddor 10ml를 취해서 같은 방법으로 묽힌 다음 0.5ml를 덜어서 세 번 시험관에 넣고 잘 흔들어준다.

5) 같은 방법으로 묽힌 Fe(NO3)3 용액을 다섯 번 시험관까지 채운다. 용액은 묽힐 때마다 눈금실린더와 비커를 깨끗이 씻어야 한다.

6) 1)번과 2)번 시험관을 종이로 둘러싸고 느슨하게 테이프를 붙여서 시험관 옆에 빛이 들어오지 않도록 만든다. 종이 속의 시험관이 움직일 수 있어야 한다. 천 종이 위에 두 시험관을 나란히 세운 후에 깨끗하게 씻어서 말린 빈 시험관 하나를 더 준비한다.

7) 1)번과 2)번 시험관을 위쪽에서 내려다보았을 때 두 용액의 색깔이 같아질 때까지 드롭퍼를 이용해서 1번 시험관의 용액을 빈 시험관에 한 방울씩 덜어낸다.

8) 시험관을 둘러싼 종이를 벗겨내고  밀리미터 단위의 눈금이 새겨진 그래프용지를 시험관 뒤에 세워서 1번과 2번 시험관에 들어있는 용액의 높이를 측정한다.

9) 3,4,5번 시험관에 들어있는 용액도 같은 방법으로 1번 시험관에 들어있는 용액의 색깔과 비교해서 그 높이를 측정한다.

 

-실험 B 용해도 곱 상수의 결정

1) 깨끗하게 씻어서 말린 100ml 비커 네 개에 각각 증류수, 0.10M, 0.050M, 0.025M NaOH 용액을 25ml 눈금실린더로 50ml씩 넣는다.

2) 각 비커에 약 숟가락으로 반 정도의 수산화칼슘 고체를 넣고 10분간 잘 저어서 평형에 도달하도록 한다.

3) 각 비커의 용액을 뷰흐너 깔때기를 이용해서 감압하여 거르고, 거른 액을 따로 보관한다. 이 때 거른 액이 묽혀지면 안 된다는 점에 유의하고, 각 용액의 온도를 기록한다.

4) 거른 액 25ml를 눈금실린더로 취해서 100ml 삼각 플라스크에 담고, 페놀프탈레인 지시약 2~3방울을 가한 다음에 0.10M HCl 표준 용액으로 적정한다.

 

6. 실험기구 및 지시약

시험관, 눈금실린더, KSCN 용액, Fe(NO3)3, 증류수, 비커, 드로퍼, NaOH용액, 수산화칼슘고체, 뷰흐너 깔때기, 페놀프탈레인 지시약

 

7. 참고문헌

 

8. 결과 및 토의

평형상수와 용해도 곱 결과

 

1) 표준시약

평형상수와 용해도 곱 결과 표준시약

 

2) 각 시험관 농도

평형상수와 용해도 곱 결과 각 시험관 농도

 

3) 평형 상수

평형상수와 용해도 곱 결과 평형상수

평형상수와 용해도 곱 결과

 

 

 

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