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대학 과제 및 리포트/일반화학 실험-생물학과

평형상수와 용해도곱 상수의 결정

by 찬재 2009. 8. 11.

실험 22 평형상수와 용해도곱 상수의 결정

 


  
              결정하고, Ca(OH)2 포화용액에 공통이온 효과를 이용해서 용해도곱상수를 결정한다


  
        평형(equilibrium)   :     정 반 응           =          역 반 응
                          (반응물  생성물)            (생성물  반응물)
 평형상수(equilibrium constant)
      평형에서의 반응물과 생성물의 상대적인 양의 비(농도의 일정한 관계)
        * 온도에 비례하고 반응물의 양에는 무관하다.

   실험
     질산철()용액 + 싸이오사이안산 칼륨(KSCN)용액  착이온(FESCN2+: 붉은색)
               Fe3+(aq)    +    SCN-(aq)             FeSCN2+(aq)
     평형상수 (K)
                         FESCN2+
               K  = 
                       FE3+SCN-
     Fe3+와 SCN-의 농도를 각각 a와 b이고, 평형에서의 FeSCN2+이온의 농도를 x라 하면
                              x
               K  = 
                      ( a - x ) ( b - x )
 비 색 법 : 농도를 알고 있는 FeSCN2+표준용액의 색과 농도를 알고 싶어하는 용액의
              색을 비교해서 알 수 있다
   착이온의 색깔의 짙기로 표준용액의 색깔과 비교해서 쉽게 농도 비교(분광광도계)
   * 베르의 법칙 (Beer's law) : 빛을 흡수하는 물질이 녹아있는 용액의 흡광도 측정
     빛이 흡수되는 정도는 용액의 농도와 빛이 용액을 통과하는 거리의 곱에
              비례한다.
   농도가 C0인 FeSCN2+용액을 높이가 L0cm로 담은 시험관과 농도를 모르는
     FeSCN2+용액을 다른 시험관속에 색깔이 같아지도록 조정할 때 높이를 L1cm 일
     때 농도(C1)는
                        C0 L0
              C1  = 
                         L1
                 * FeSCN2+표준용액은 일정한 양의 SCN-을 넣은 용액에 Fe3+을 과량
                   으로 넣어서 평형을 오른쪽으로 충분히 이동시키면 만들어진다.
 용해도곱 상수(solubility product) :
              물속에 녹아 있는 이온의 농도만으로 된 평형상수 (포화되서 남은 고체
              는 영향을 못 미치므로)
   실험
             과량의 수산화 칼슘을 물에 넣어 포화 용액을 만듬
             Ca(OH)2(s)              Ca2+(aq)      +      2OH-(aq)
     용해도곱 상수 (Ksp)
             Ksp    =   Ca2+OH-2
                * 고체 수산화 칼슘은 화학포텐셜이 일정하기 때문에 평행에 영향을
                  미치지 않는다.
                * 용해도곱 상수는 온도에 비례한다.
                * 용해도곱 상수는 일정한 양에 녹을 수 있는 용질의 양을 나타내는
                  용해도(solubility)와 같은의미를 갖지만, 물에 잘 녹지 않는 용질의
                  특성을 나타날 때 유용하게 사용된다.
 공통이온 효과 :
                  Ca(OH)2(s)              Ca2+(aq)      +      2OH-(aq)
                  Ksp    =   Ca2+OH-2
           수산화 칼슘의 포화 용액에 OH-을 더 넣어주면 평형이 왼쪽으로 이동하면
           서 Ca2+의 농도가 감소하고 Ksp는 일정한 갑을 유지한다.
   농도를 알고있는 NaOH 용액에 수산화 칼슘을 포화시킨 후에 용액 속에 남아있는
     OH-의 농도를 염산 표준용액으로 적정해서 결정한다.

  
             
   1) 5개의 시험관에 번호를 붙여서, 시험관대에 나란히 꼽아두고, 새로 만든 0.02M
     KSCN 용액 5mL씩을 눈금실린더로 측정해서 넣는다.
   2) 1번 시험관에 0.2 M Fe(NO3)3용액 5.0 mL를 눈금실린더로 측정해서 넣고 잘
     흔들어준다.
    이 시험관의 SCN-는 모두 FeSCN2+로 변환되었다고 생각하고 표준 용액으로 사용한다.
   3) 0.2M Fe(NO3)3 10mL를 10mL 눈금실린더로 측정해서 50mL 눈금실린더에 넣고,
     증류수를 가해서 전체 부피가 25mL가 되도록 한다. 용액을 비커에 옮겨서 잘
     섞은 다음 5.0mL를 덜어서 2번 시험관에 넣고 잘 흔들어 준다.
   4) 3)에서 만든 Fe(NO3)3용액 10mL를 취해서 같은 방법으로 묽힌 다음 5.0mL를
     덜어서 3번 시험관에 넣고 잘 흔들어 준다.
   5) 같은 방법으로 묽힌 Fe(NO3)3 용액을 5번 시험관까지 채운다. 용액을 묽힐 때
     마다 눈금실린더와 비커를 깨끗이 씻어야 한다.
   6) 1번과 2번 시험관을 종이로 둘러싸고 느슨하게 테이프를 붙여서 시험관 옆에서
     빛이 들어오지 않도록 만든다. 종이 속의 시험관이 움직일 수 있어야 한다. 흰
     종이 위에 두 시험관을 나란히 세운 후에 깨끗하게 씻어서 말린 빈 시험관 하나
     를 더 준비한다.
   7) 1번과 2번 시험관을 위쪽에서 내려다 보았을 때 두 용액의 색깔이 같아질 때
     까지 드롭퍼를 이용해서 1번 시험관의 용액을 빈 시험관에 한 방울씩 덜어낸다.
   8) 시험관을 둘러싼 종이를 벗겨내고, 밀리미터 단위의 눈금이 새겨진 그래프 용지
     를 시험관 뒤에 세워서 1번과 2번 시험관에 들어있는 용액의 높이를 측정한다.
   9) 3, 4, 5번 시험관에 들어있는 용액도 같은 방법으로 1번 시험관에 들어있는 용액
     의 색깔과 비교해서 그 높이를 측정한다.

             
   1) 깨끗하게 씻어서 말린 100mL 비커 4개에 각각 증류수, 0.10M,  0.050M  0.025M
     NaOH 용액을 25mL 눈금실린더로 50mLTlr 넣는다.
   2) 각 비커에 약숟가락으로 반 정도의 수산화 칼슘 고체를 넣고 10분간 잘 저어서
     평형에 도달하도록 한다.
   3) 각 비커의 용액을 뷰흐너 깔때기를 이용해서 감압하여 거르고, 거른액을 따로
     보관한다. 이 때 거른액이 묽혀지면 안 된다는 점에 유의하고, 각 용액의 온도를
     기록한다.
   4) 거른액 25mL를 눈금실린더로 취해서 100mL 삼각플라스크에 담고, 페놀프탈레인
     지시약 23방울을 가한 다음에 0.10M HCl 표준 용액으로 적정한다.

 


   실험기구 및 시약  :
            100  20 mm 시험관 7개0.2 M Fe(NO3)3
            눈금실린더(10mL, 50mL)0.002 M KSCN (실험전에 새로 만들어서 사용하는
            드롭퍼것이 좋다)
            그래프 용지0.10 M,  0.050M,  0.025M NaOH
            테이프0.10 M HCl 표준 용액
            시험관대Ca(OH)2
            눈금실린더(25mL) 4개페놀프탈레인 지시약
            비커(100mL) 4개
            삼각플라스크(100mL) 4개
            뷰렛(50mL)
            뷰흐너 깔대기
            감압플라스크
            온도계(0100C)
            고무관
            거름종이

 


   실 험 결 과

 

실험A. 평형상수의 결정

 비 색 법 : 농도를 알고 있는 FeSCN2+표준용액의 색과 농도를 알고 싶어하는 용액의
              색을 비교해서 알 수 있다
   착이온의 색깔의 짙기로 표준용액의 색깔과 비교해서 쉽게 농도 비교(분광광도계)
   * 베르의 법칙 (Beer's law) : 빛을 흡수하는 물질이 녹아있는 용액의 흡광도 측정
     빛이 흡수되는 정도는 용액의 농도와 빛이 용액을 통과하는 거리의 곱에 비례한다.
   농도가 C0인 FeSCN2+용액을 높이가 L0cm로 담은 시험관과 농도를 모르는
     FeSCN2+용액을 다른 시험관속에 색깔이 같아지도록 조정할 때 높이를 L1cm 일
     때 농도(C1)는
                        C0 L0
              C1  = 
                         L1
   * FeSCN2+표준용액은 일정한 양의 SCN-을 넣은 용액에 Fe3+을 과량으로 넣어서
     평형을 오른쪽으로 충분히 이동시키면 만들어진다.


 

 

 

1. 실험결과
  


 2. 평형농도 및 평형상수
  

 

 3. 실험에서 구한 K값을 이용하여 시험관 1의 표준 용액에 대해 평형상태에서 남아 있는 SCN-의 농도와 처음에 가한 SCN-의 농도를 계산하고, 처음에 가한 SCN-가 모두 FeSCN2+ 변하였다는 가정의 타당성을 검증하여라.
                                   141 + 200 + 235
         K  =    =  192
                            3
         ( 5번 시험관은 오차가 크므로 제외)
       따라서,
                              x
          K  =    =  192
                        (0.2-x)(0.002-x)
*  x=0.21 or 0.00755에서 0.21는 0.2,  0,002보다 크므로 근이 될수 없다. 따라서 평형상태의 SCN-는 0.00755, 남아있는 SCN-는 처음양의 26.5%이므로 어느정도 무시가능


 4. 색을 띤 화학종이 FeSCN2+이 아니라 Fe(SCN)2+라고 가정하여 실험 결과를 검토해 보아라.
색을 띤 화학종이 FeSCN2+가 아닌 Fe(SCN)2+라면
                 Fe(SCN)2+
       K  =        이므로
                FE3+SCN-

평형상수 K 값은 커질것이다.   (SCN-2 값  SCN-값)

 

  토   의
 시험관에 SCN-용액과 Fe3+용액의 측정에서 스포이드와 눈금실린더에서 눈에 의한 치수조정의 오차 그리고 스포이드 내에 잔액에 대한 오차가 있었고 비색법에 의한 실험 오차가 가장 컸던 것 같습니다. 그리고 시험관의 밑모양이 원기둥으로 일정한게 아니라 반구에 의한 용액의 양에 대한 생각없이 그저 시험관의 높이에 의한 치수만을 기입했으므로 오차가 가중된 것 같습니다.

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