실험 - 화학 평형상수의 결정
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- 목차
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실험제목
실험이론
실험목적
기구 및 시약
실험방법
결과처리 방법
유의사항
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실험제목
화학평형상수의 결정
실험이론
다음 반응에서 A, B, C, D가 반응에 관여하는 화학물이고 a, b, c, d가 균형을 맞춘 반응식의 계수라면 평형조건을 일반적으로 기술하는 방법인 “질량 작용의 법칙”은 다음과 같은 평형식으로 나타낼 수 있다.
[ ]는 평형에 있는 화학종의 농도를 나타내며, 는 평형상수이다. 따라서 평형상태에서 존재하는 화학종들의 농도를 측정하면 평형상수를 계산할 수 있다.
어떤 반응의 평형상수를 알면 반응이 진행되려는 경향, 어떤 농도가 평형조건을 나타내는 지의 여부, 주어진 초기 농도로부터 도달할 수 있는 평형의 위치 등과 같은 그 반응의 몇 가지 중요한 특징을 예측할 수 있다. 어떤 반응이 진행되려는 경향은 평형상수의 크기로부터 알 수 있다. K가 1보다 훨씬 크면 그 반응계는 평형에서 대부분 생성물로 되어 있다. 즉 평형이 오른쪽으로 치우쳐 있음을 의미하고 이러한 반응은 거의 완결된다. 반면에 K값이 매우 작으면 평형에서 그 계는 대부분이 반응물로 되어 있고 평형의 위치는 왼쪽으로 치우쳐 있으며, 반응은 거의 진행되지 않는다.
K의 크기와 평형에 도달하는 시간 사이에는 직접적인 관계가 없다. 평형에 도달하는 시간
반응속도에 의해 결정되며 반응속도는 활성화 에너지에 의해 결정되고 K의 크기는 생성물과 반응물의 에너지 차이와 같은 열역학적 요인에 의해 결정된다. 이 차이를 그림 12.1에 나타내었다.
본 실험에서는 아이오딘화 이온()이 아이오딘()로 반응하여 삼아이오딘화 이온 ()을 형성하는 반응의 평형상수를 결정하고자 한다. 고체 아이오딘은 물에는 녹지 않으나 아이오딘화 이온을 함유한 수용액에는 잘 녹는데, 그것은 다음과 같은 반응에 의하여 이 생성되기 때문이다.
이 반응의 평형상수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
평형상수 를 계산하기 위해서는 평형 상태에서 존재하는 아이오딘화 이온과 삼아이오딘화 이온 및 분자 상태인 아이오딘의 농도를 알아야 한다. 이들 농도의 값은 다음과 같은 방법으로 결정할 수 있다. 0.2 M 아이오딘화칼륨() 용액 1 L에서 0.025 M 를 녹여 상당한 농도의 를 함유한 용액을 만든다. 이 수용액에 물과 섞이지 않은 사염화탄소()를 가하여 함께 흔들어 주고 방치하면 두 액체상이 형성된다. 수용액 중에서 존재하는 화학종들 (즉, , , 및 )중에 만이 사염화탄소 중에 녹아들어간다. 사염화탄소 중에
녹아 있는 아이오딘의 농도와 수용액에 존재하는 아이오딘 및 삼아이오딘화 이온의 농도는 가 액체상의 일부분을 뽑아 내어 싸이오황산염의 용액으로 적정하여 결정할 수 있다. 싸이오황산 이온은 좋은 환원제이므로, 와 를 모두 환원시킬 수 있다. 적정시 발현하는 반응은 아래와 같다.
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