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평형 상수와 용해도곱 결정
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평형 상수와 용해도곱 결정 실험 결과 해석 :: 화공&책 리뷰
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평형 상수와 용해도곱 결정 실험 결과 해석
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기본 정의[편집]
속성[편집]
평형상수의 종류[편집]
추가개념[편집]
같이 보기[편집]
각주[편집]
참고 문헌[편집]
외부 링크[편집]
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평형 상수 의 결정
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화학 반응에서 평형 상수의 결정 by 창기 홍 on Prezi Next
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[ÀϹÝÈÇнÇÇè] ÆòÇü»ó¼öÀÇ°áÁ¤
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평형 상수와 용해도곱 결정
평형 상수와 용해도곱 결정
목표 : 색깔을 비교하는 방법으로 착이온의 농도를 알아내어 착이온 생성 반응의 평형상수를 결정하고, Ca(OH)₂ 포화 용액에 공통이온 효과를 이용해서 용해도곱을 결정한다.
1. 이론
반응물을 섞어서 적당한 조건을 만들어주면 생성물이 만들어지기 시작한다. 그러나 이런 반응은 언제까지나 진행되지 않고, 시간이 지나면 더 이상 반응이 진행되지 않는 것처럼 보이는 평형에 도달하게 된다. 이런 평형 상태는 반응물이 소모되지도 않고 생성물이 더 이상 만들어지지도 않아서 겉보기에는 아무런 화학 반응이 진행되고 있지 않은 것처럼 보인다. 그러나 실제로는 생성물이 만들어지는 정반응과 생성물이 다시 반응물로 돌아가는 역반응이 정확하게 같은 속도로 일어나기 때문에 겉보기에 아무런 변화가 없는 것처럼 보이는 것이다.
화학 반응이 평형에 도달했을 때, 반응물과 생성물의 농도는 일정한 관계를 가지게 된다. 평형에서 반응물과 생성물의 상대적인 양의 비는 평형상수로 나타낼 수 있다. 평형 상수는 온도에 따라 다른 값을 갖지만 처음에 넣어준 반응물의 양에 따라서 달라지지는 않는다. 반응물 A와 B가 반응하여 생성물 C와 D를 생성하는 가역적 반응에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.
aA + bB ⇌ cC + dD (a,b,c,d 계수)
이러한 가역반응은 일정한 온도에서 시간이 충분히 흐르면 반응물이나 생성물의 초기농도와 관계없이 더 이상 겉보기 농도에 변화가 없는 상태에 이르게 되는데 이를 평형상태라 한다. 이러한 평형상태에서 반응물과 생성물의 농도비는 안정하며, 이 값 KC를 평형상수라 한다. 아래첨차 C는 농도의 약자이다. 가역적 반응에 대한 화학반응식은 다음과 같다.
[A], [B], [C], [D]는 A, B, C, D의 평형에서의 몰농도이다.이를 질량작용의 법칙이라 하며 1864년 노르웨이의 굴트베르크와 보게에 의해 제안되었다. 하지만 보다 엄밀하게는 묽은 용액, 즉 활동도 계수가 1인 용액에 대해서만 성립한다. 따라서 정확하게는 몰농도 대신 활동도를 사용해야 한다.
이 실험에서는 착이온(Fe(SNC)2+)이 생성되는 반응과 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 물에 녹는 반응의 평형 상수를 측정한다. 질산철(III) 용액과 싸이오사이안산 칼륨(KSCN) 용액을 섞으면 짙은 붉은색의 착이온인 Fe(SCN)2+가 만들어진다.
Fe3+(aq) + SCN-(aq) ⇌ Fe(SCN)2+(aq)
이 반응의 평형 상수는 다음과 같이 주어진다.
넣어준 Fe3+와 SNC-의 농도가 각각 a와 b이고 평형에 도달했을 때 Fe(SNC)2+ 이온의 농도가 라면 평형 상수는 다음과 같이 표현된다.
이 반응에서 착이온의 농도는 분광광도계를 사용하면 정확하게 측정 할 수 있다. 여기서는 착이온의 색깔이 짙기 때문에 표준 용액의 색깔과 비교해서도 쉽게 그 농도를 알아낼 수 있다.
빛을 흡수하는 물질이 녹아있는 용액의 흡광도는 베르의 법칙을 따른다. 베르의 법칙은 광로길이가 일정할 경우 용액의 흡광도는 그 농도에 비례한다는 법칙이다. 각각 입사광과 투사광 광도를 각각 I0, I, 용질의 농도를 C, 어떤 일정한 광로길이에서의 흡광계수를 KC로 하였을 경우 log(I0/I)=KCC가 되는 관계를 말한다.
예를 들어서 2M용액이 길이가 1cm인 용기에 들어있을 때의 색과 1M용액이 2cm의 용기에 들어있을 경우의 색은 똑같아 보인다. 따라서 농도를 알 수 있는 Fe(SCN)2+ 표준 용액의 색과 농도를 알고 싶어 하는 용액의 색을 비교해서 알 수 있다. 이런 방법을 비색법이라고 한다.
농도가 C0인 Fe(SCN)2+ 용액을 높이가 L0cm가 되도록 시험관에 넣고 농도를 알고 싶은 Fe(SCN)2+ 용액을 다른 시험관에 넣어서 두 시험관 속에 담긴 용액의 색깔이 같아지도록 용액의 양을 조절한다. 미지 시료를 담은 시험관에서 용액의 높이가 L1이라면, 미지 시료의 농도 C1은 다음 식으로 주어진다.
Fe(SCN)2+ 표준 용액은 일정한 양의 SCN-을 넣은 용액에 Fe3+을 과량으로 넣어 평형을 오른쪽으로 충분히 이동시키면 만들어진다.
용해도보다 더 많은 양의 고체 물질을 물에 넣어주면, 일부는 물에 녹고 나머지는 고체로 남아있게 된다. 이런 경우의 평형 상수는 물속에 녹아 있는 이온의 농도만으로 표현되는 용해도곱으로 나타낼 수 있다.
과량의 수산화칼슘을 물에 넣어 포화 용액을 만들면 용액 속에서 다음과 같은 평형이 이루어진다.
Ca(OH)2(s) ⇌ Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
이 반응의 평형 상수인 용해도곱은 다음과 같이 표현된다.
Ksp = [Ca2+][OH-]2
이 경우에 녹지 않고 남아있는 고체 수산화칼슘은 화학 퍼텐셜이 일정하기 때문에 평형에 영향을 미치지 않아서 평형 상수에 포함시킬 필요가 없으며, 용해도곱은 온도에 따라 다른 값을 갖는다. 용해도곱은 일정한 용매의 양에 녹을 수 있는 용질의 양을 나타내는 용해도와 같은 의미를 갖지만, 물에 잘 녹지 않는 용질의 특성을 나타낼 때 유용하게 사용된다.
수산화칼슘의 포화 용액에 OH-을 더 넣어주면 평형이 왼쪽으로 이동하면서 Ca2+의 농도가 감소하고 Ksp는 일정한 값을 유지한다. 이러한 효과를 공통이온 효과라고 한다. 이 실험에서는 농도를 알고 있는 NaOH 용액에 수산화칼슘을 포화시킨 후에 용액 속에 남아있는 OH-의 농도를 염산 표준 용액으로 적정해서 결정한다.
2. 실험 기구 및 시약
A. 실험 기구
100×20mm 시험관 7개
눈금 실린더 10mL, 50mL
스포이트
그래프용지
테이프
시험관대
부피 플라스크(25mL) 4개
비커(100mL) 4개
뷰렛
부흐너 깔때기
감압 플라스크
온도계
고무관
거름종이
시약주걱
B. 시약
0.2M Fe(NO3)3
0.002M KSCN
0.10M, 0.050M, 0.025M NaOH
0.10M HCl 표준 용액
Ca(OH)2
페놀프탈레인 지시약
3. 실험 방법
실험 A. 평형 상수의 결정
1) 5개의 시험관에 번호를 붙여서, 시험관대에 나란히 꽂아두고, 새로 만든 0.002M KSCN 용액 5mL 씩을 눈금 실린더로 측정해서 넣는다.
2) 1번 시험관에 0.2M Fe(NO3)3 용액 5.0mL를 눈금 실린더로 측정해서 넣고 잘 흔들어준다. 이 시험관의 SCN-는 모두 Fe(SCN)2+로 변환되었다고 생각하고 표준용액으로 사용한다.
3) 0.2M Fe(NO3)3 10mL를 10mL 눈금 실린더로 측정해서 25mL 부피 플라스크에 넣고, 증류수를 가해서 전체 부피가 25mL가 되도록 한다. 용액을 비커에 옮겨서 잘 섞은 다음 5.0mL를 덜어서 2번 시험관에 넣고 잘 흔들어준다.
4) 3)에서 만든 Fe(NO3)3 용액 10mL를 취해서 같은 방법으로 묽힌 다음 5.0mL를 덜어서 3번 시험관에 넣고 잘 흔들어준다.
5) 같은 방법으로 묽힌 Fe(NO3)3 용액을 5번 시험관까지 채운다. 용액을 묽힐 때마다 눈금 실린더와 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 하나를 더 준비한다.
7) 1번과 2번 시험관을 위쪽에서 내려다보았을 때 두 용액의 색깔이 같아질 때까지 스포이트를 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. 용해도곱 상수의 결정
1) 깨끗하게 씻어서 말린 100mL 비커 4개에 각각 증류수, 0.10M, 0.050M, 0.025M NaOH 용액을 25mL 눈금 실린더로 50mL씩 넣는다.
2) 각 비커에 시약주걱으로 반 정도의 수산화칼슘 고체를 넣고 10분간 잘 저어서 평형에 도달하도록 한다.
3) 각 비커의 용액을 부흐너 깔때기를 이용해서 감압하여 거르고, 거른 액을 따로 보관한다. 이 때 거른액이 묽혀지면 안 된다는 점에 유의하고, 각 용액의 온도를 기록한다.
4) 거른액 25mL를 눈금 실린더로 취해서 100mL 삼각 플라스크에 담고, 페놀프탈레인 지시약 2∼3방울을 가한 다음에 0.10M HCl 표준 용액으로 적정한다.
4. 실험 결과
실험 A. 평형 상수의 결정
1) 실험 결과
시험관 번호 혼합 용액의 처음 농도, M 색이 같아졌을 때의 높이(cm) Fe3+ SCN- 1 0.2 0.2 6 2 0.08 0.2 2.4 3 0.032 0.2 0.96 4 0.013 0.2 0.38 5 0.0051 0.2 0.15
2) 평형 농도 및 평형 상수
시험관 번호 [Fe(SCN)2+] [Fe3+] [SCN-] K 1 0.2 – – – 2 0.08 – 0.12 5 3 0.032 – 0.168 5 4 0.013 – 0.187 5 5 0.0051 – 0.1949 5
5. 실험 고찰
실험시에 두 용액의 색을 비교하는 것이 쉽지만은 않았는데, 생각보다 색이 진해서 각 시험관간에 색의 비교가 잘 이루어지지가 못했다. 이론 부분에 분광기를 사용하면 더 정확하게 비교 할 수 있다고 했는데 분광기의 도입이 필요하다고 생각한다.
색 비교를 할 때 높이가 너무 낮아져서 색의 비교가 어려워졌다. 실험 시약의 높이를 더 늘리는 편이 관찰 할 때 유리할 것이라 생각된다. 즉 시험관이 가는 것을 사용한다면 더 정확히 할 수 있을 것이라 생각한다.
출처
도춘호 외, 『표준일반화학실험』, 대한화학회, 2012, p.184-191.
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1145073&cid=200000000&categoryId=200000864 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1591061&cid=2904&categoryId=2904
평형 상수와 용해도곱 결정 실험 결과 해석
1. Introduction
이번 실험에서는 르 샤틀리에의 원리를 이용해서 화학 평형의 이동에 대해서 살펴보고, 실험을 통해 평형상수의 값을 직접 구해본다. 다만, 착이온이 형성되는 반응에서의 평형상수를 특별히 형성상수라고 말하며 $K_f$로 표현하겠다. 우선, 이 실험에서 주로 이용하는 반응을 먼저 살펴보자. 이번 실험에서는 물을 리간드로 갖는 염화철 6수화물을 싸이오사이안산 암모늄과 반응시켜 착이온 $[Fe(SCN)]^{2+}$를 만든다. 이 반응에서는 중심이 되는 전이 금속 이온 $Fe^{3+}$와 리간드로 작용하는 $SCN^-$이 반응한다. 하지만 어떤 수용액 내에서 이온만 존재할 수 없으므로, 반응에 참여하지 않는 이온들을 갖고 있는 물질을 이용해서 반응을 진행한다. 이 반응과 형성상수를 표현하면 아래와 같다.
* 사용하는 용액들의 농도가 묽으므로 활성도를 묽은 농도와 같다고 생각할 수 있다.
이 반응에서 철의 리간드가 물에서 싸이오사이안산으로 바뀌기 때문에 반응 전 용액과 반응 후 용액의 색이 변하는 것을 관찰할 수 있을 것이다.
첫 번째 실험에서는 물질들의 농도에 변화를 주어 평형을 이동시킨다. 평형 상태에 놓여있는 상태에서 반응에 참여하는 물질의 농도를 변화시키면 르샤틀리에의 원리에 의하여 농도의 변화를 완화하려는 방향으로 평형이 다시 이동한다. 이는 물질을 새로 넣었을 때의 반응 지수와 형성 상수 사이의 크기를 비교했을 때 예상되는 반응의 방향과 동일하다. 이번 실험에서는 반응물로 작용하는 물질들을 추가로 넣기 때문에 정반응이 다시 발생할 것이다. 그리고 계를 구성하고 있던 착이온들의 농도가 달라지게 되므로 빛을 흡수하는 양이 달라져 우리가 색의 변화를 관찰할 수 있을 것이다. 한편, 물질의 농도를 변화시키는 평형의 이동은 계의 반응에 의한 열교환을 제외하면 주위의 온도가 변하지 않기 때문에 평형상수가 일정하다.
두 번째 실험에서는 평형 상수를 구하는 것을 목표로 한다. 특히 $Fe(SCN)^{2+}$ 생성 반응에서는 균일 평형 상수인 $K_f$를 구한다. 이 실험에서는 용액을 매우 많이 옮겨야 하므로 최대한 용액이 손실되는 일이 없도록, 사용한 용기는 최대한 깨끗이 씻어서 다음 용액을 사용할 때 영향이 없도록 한다. 분광분석기를 사용하지 못하기 때문에 생성된 착이온의 농도는 표준 용액을 제조한 뒤 비색법을 이용하면 구할 수 있다. 표준 물질에 대해 반응을 통해 $[Fe(SCN)]^{2+}$로 모두 전환되었다고 가정할 것이므로, 비색법을 이용해서 얻은 농도는 $[Fe(SCN)]^{2+}$의 농도인 것으로 간주할 것이다. 한편, 비색은 눈으로 관찰하는 방법이므로 최대한 같은 환경에서 색을 결정해야 한다. 그래서 시험관에 알루미늄 호일을 모두 감싸고 바닥에 흰색 종이를 두어 색을 비교할 것이다. 그리고 자를 이용해서 두 용액의 높이를 비교하면 아래의식을 통해서 우리가 구하고자 하는 용액의 $[Fe(SCN)]^{2+}$ 농도를 구할 수 있다.
반응 계수비에 따라 생성된 물질의 몰 농도를 알면 초기 물질들의 농도에 비하여 얼마나 물질들이 반응했는지를 알 수 있기 때문에 이를 이용해서 형성상수의 값을 구할 수 있다. 구한 농도 값을 $x$, 초기의 $Fe^{3+}$의 농도와 $[SCN^-]$의 농도를 각각 $a, b$라고 하자. 반응 계수비를 이용해서 평형 상수를 구할 수 있다.
2. Chemicals & Apparatus
1) Chemicals
2) Apparatus
시험관 (test tube), 10mL 눈금 실린더(graduated cylinder), 50mL 눈금 실린더, 스포이드(dropper), 시험관대(teset tube rack), 자, 100mL 비커(beaker), 25mL 부피 플라스크(volumetric flask), 알루미늄 호일, 흰종이
3. Procedure
실험 1. 화학평형 – 르 샤틀리에의 원리
1. 시료준비
시험관 2개에 증류수를 10mL씩 넣는다.
하나의 시험관에는 0.5M $FeCl_3$ 용액을, 다른 하나에는 1M $NH_4SCN$ 용액을 한 방울씩 가한다.
비커에 잘 혼합하고, 시험관 4개에 5mL씩 나눈다.
2. 농도의 영향 관찰
다음과 같이 각 화학종의 농도를 변화시키면서 색깔 변화를 관찰한다,
① reference (대조군)
② 0.5M $FeCl_3$ 2방울
③ 1M $NH_4SCN$ 2방울
④ 1M $NH_4Cl$ 10방울
이때 증류수 10mL에 0.5M $FeCl_3$ 한 방울 섞은 용액과 증류수 10mL에 1M $NH_4SCN$ 한 방울을 넣은 용액을 섞어 20mL 혼합 용액을 만들고. 이들을 4개의 시험관에 나누어 담는다. 하나는 비교를 위해 아무런 용액을 넣지 않으며, 나머지 시험관에 실험에서 지시한대로 ②~④ 용액을 넣는다.
실험 2. 평형상수의 결정
1. 표준용액의 준비 (용액 1)
1) 5개의 시험관과 비커에 1번부터 5번까지 번호를 매기고, 시험관대에 나란히 세운다.
2) 각각의 시험관에 10mL 눈금 실린더를 사용하여 0.0002M $KSCN$ 용액 5mL를 넣는다.
3) 0.2M $Fe(NO_3)_3$ 용액 10mL를 준비한다.
4) 0.2M $Fe(NO_3)_3$ 용액 10mL 중 5mL을 1번 시험관에 넣고 잘 섞는다. (이때, $SCN^−$이온은 전부 $FeSNC^{2+}$로 바뀌었다고 가정: $FeSNC^{2+}$을 1번 용액으로 사용)
2. $Fe^{3+}+SCN^−$ 용액 제조
1) 1-1)에서 남은 5mL $Fe(NO_3)_3$용액을 5배 묽힌다. (5mL를 취해서 25mL 부피 플라스크에 묽힌다. – 2번 용액
2) 묽힌 용액을 2번 시험관에 넣고 잘 섞는다.
3) 같은 방법으로 5배씩 묽혀서 3, 4, 5번 용액을 만들고 3, 4, 5번 시험관에 넣고 잘 섞는다. ($Fe(NO_3)_3$의 농도가 0.002M $KSCN$ 보다 큼)
3. 비색법으로 평형농도 결정
1) 1번(표준용액)과 2번 시험관을 알루미늄 호일로 끝까지 감싸서 빛을 차단하고 아래쪽에 흰 종이를 깐다.
2) 두 시험관을 나란히 두고 위에서 시험관을 내려 보면서 두 시험관의 색의 세기가 같아질 때까지 피펫으로 1번 시험관에 든 표준용액을 비커로 옮긴 다음, 호일을 벗겨내고 1. 2번 시험관의 남은 용액의 높이를 측정한다.
3) 3, 4, 5번 시험관도 같은 방법으로 1번 시험관과 비교하여 실험한다. 이 정보들을 정리하면 아래와 같다.
시험관 정보 희석용액 정보
<주의사항>
1) 호일을 시험관 끝까지 감싼다.
2) 색깔이 비슷한 것끼리 비색법을 이용한다.
3) 실험 1에서 용액이 잘 섞이도록 유리막대를 이용한다.
4) 시험관 높이가 아닌 mL를 측정해서 착이온의 농도를 구한다.
4. Data & Result
실험 1 화학평형 – 르 샤틀리에의 원리
평형 이동 결과와 시험관 정보
실험 2 평형 상수의 결정
실험 2에서시험관에 들어있는 용액의 반응 전 농도 비색법 사용을 위한 표준 용액의 높이 측정과 착이온의 농도 그리고 계산된 형성상수의 값
* 표준 용액에서 보두 착이온으로 반응했다고 가정했으므로 한계반응물 $SCN^-$이 $Fe(SCN)^{2+}$로 모두 전환되었다고 볼 수 있다.
** 반응물이 모두 반응했다고 가정했기에 형성상수 값을 구하는 것이 무의미하다.
1) 혼합용액의 농도 (①~④)
비색법을 이용해서 값을 구한다.
2) 형성상수$K_f$의 계산 (⑤~⑧)
3) 형성상수의 평균값 $K_{avg}$
4) 오차율
5) 불확정도
5. Discussion
이번 실험에서는 평형의 이동과 평형 상수의 값을 직접 구하는 2개의 실험을 진행한다. 평형 이동을 관찰하려면 기존에 평형 상태에 도달한 용액이 필요하기에 이를 먼저 제조했다. 사용한 스포이드의 한 방울이 갖는 부피가 다를 것이지만 이 실험에서 요구되는 것은 정량적인 계산이 아니기 때문에 한 방울씩 반응 물질을 넣는 것에 집중했다. 스포이드를 이용해서 용액을 넣을 때 시험관을 기울이게 되면 넣고자 하는 용액이 벽면을 타고 흐를 수 있다. 이를 방지하고자 시험관을 수직으로 들고 스포이드를 수면에 가까이 붙여 넣고자 하는 용액이 소실되지 않도록 했다.
실험 1 에 대한 논의
$FeCl_3$ 용액과 $NH_4SCN$ 용액을 섞으면 혼합 전 각각의 용액이 나타냈던 색과 또 다른 색이 나타났다. 이는 반응 전에 순수하게 존재했던 착물 염화철 6수화물이 반응을 하며 그 양이 감소한 것이고, 새로운 착물 $Fe(SCN)^{2+}$가 형성된다. 그 결과 착이온들이 흡수할 수 있는 에너지의 양과 그 정도가 달라져서 용액의 색이 바뀐 것을 알 수 있다. 르-샤틀리에의 원리를 실제로 확인해보기 위하여 현재 평형 상태에 놓여있는 용액에 물질들을 가하여 평형에 변화를 주었다. $FeCl_3$ 용액과 $NH_4SCN$ 용액을 넣어주면 색이 변하는 것을 관찰할 수 있었다. 두 용액에서 착이온 형성 반응의 반응물로 작용했던 $Fe^{3+}$와 $SCN^−$가 있었기 때문이다. 이 반응의 형성상수는 다음과 같다.
각 실험에서 넣어준 $Fe^{3+}$와 $SCN^−$에 의하여 반응 지수가 형성상수 보다 더 작아지게 된다. 그래서 르-샤틀리에의 원리에 따라서 변화를 완화할 수 있도록 생성물이 생기는 방향으로 평형이 이동했을 것이다. 그 결과 평형 상태에 놓여있던 착이온들의 농도가 변하여 용액의 색이 변한 것을 확인할 수 있었다. 착이온 형성 반응에서 각 물질에 대한 반응 계수는 모두 동일하다. 하지만, 변화를 준 용액의 종류가 다르므로 평형에 도달할 때 농도의 변화 정도에는 차이가 날 수 있다. 실제로도 두 용액의 색이 붉은 계열로 나타난 것을 보다 변화의 방향은 같았음을 확인했다. 그러나 두 용액의 색에 차이가 있는 것을 보아 농도 변화의 정도에는 약간의 차이가 있었음을 확인할 수 있었다. 한편, $NH_4Cl$ 용액을 넣은 시험관에서는 반응이 발생했다고 판단할 수 있는 만큼의 색변화를 관찰할 수 없었다. 왜냐하면 $NH_4Cl$ 용액에 포함되어 있는 용액들은 착이온 형성에 영향을 주지 않는 이온들이기 때문에 평형에 변화를 주지 못했기 때문이다.
실험 2 에 대한 논의
두 번째 실험은 정량적인 분석이 요구되며, 실험의 규모가 작기 때문에 최대한 정확하게 실험을 진행하려고 했다. 착이온의 형성을 통하여 관찰되는 용액의 색이 달라지는데, 분광분석을 이용하면 비교적 농도를 쉽게 결정할 수 있다. 그러나 분석 장비가 제공되지 않았기 때문에 비색법을 이용해서 농도를 구해야 한다. 비색법을 사용하기 위해서 표준 용액을 준비했다. 이는 0.2M $Fe(NO_3)_3$ 용액을 희석하지 않고 바로 $KSCN$ 용액에 넣어서 만들었다. 초기 용액들의 농도를 알고 있으므로 형성상수 값을 이용하면 평형 상태에 놓인 착이온 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도를 알 수 있었다.
하지만 이번 실험은 형성 상수의 값을 구하는 것 을 목적으로 한다. 그래서 이 반응에서의 반응 계수비는 모두 같은 것으로 보아 한계 반응물의 양만큼 착이온이 형성되었다고 ‘가정’했다. 이 표준 용액의 농도로 비색법을 적용하므로 비교한 용액들을 통해서 얻은 농도값을 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도라고 생각했다. 비색법을 사용해서 농도를 비교할 때 눈으로 비교를 하는 만큼 시험관들의 환경을 최대한 똑같이 맞추었다. 우선 시험관에 빛이 들어가지 않도록 했다. 물체가 빛을 흡수하고 나머지 빛들을 우리가 관찰하는 것이므로 개입되는 빛의 양이 달라지면 색이 다르게 보일 수 있기 때문이다. 그리고 두 시험관의 색을 비교할 때 시험관 밑에 흰색 종이를 두어서 다른 색에 의해서 판단을 잘못할 가능성을 최대한 배제했다. 이 방법을 이용하여 반응되었다고 판단되는 양과 초기 물질의 양을 이용해서 형성 상수의 값을 구할 수 있었다. 그 결과, 이론적으로 구해졌어야 하는 갑에 대해 68% 오차율을 보였으며 불확정도가 220인 것을 확인할 수 있다. 오차율도 비교적 크고 불확정도가 유효 숫자에 영향을 충분히 미치는 것으로 보아 실험의 정확도와 정밀도가 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이 이유에 대해서 살펴보자.
우선 각 용액의 부피를 정확하게 측정하고 옮기지 못했기 때문에 문제가 발생할 수 있다. 이번 실험에서는 눈금 실린더를 이용해서 부피를 측정해야 했다. 하지만 50mL 눈금 실린더를 제공 받았디. 이눈금 실린더는 실험에서 지속적으로 5mL를 측정하라는 것에 비해 지나치게 컸고 5mL를 옮기기 위해서 피펫을 계속 사용했어야 했다. 스포이드를 사용해서 옮기는 과정에서 용액들이 소실되거나 기존에 묻어 있던 용액이 섞여 들어가서 부피나 농도에 변화가 생겼을 수 있다. 이와 비슷한 오차 원인은 부피 플라스크의 사용에서도 관찰할 수 있다. 이번 실험에서 용액을 희석하기 위해서 같은 부피 플라스크를 계속 사용했다. 부피 플라스크를 씻었지만, 미처 씻기지 못한 물질이 남아있었다면 용액의 농도에 변화를 주었을 수도 있다. 부피의 잘못된 측정 말고도 비색법을 이용할 때 잘못된 가정을 했기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 앞서 이야기했듯 이번 실험의 목표가 평형 상수의 값을 구하는 것이기 때문에 표준 용액에서 생성물에 해당하는 착이온으로 모두 반응했다고 가정했다. 하지만 실제로 평형 상수를 이용해서 계산해보면 모두 다 반응하지 않았음을 알 수 있다. 실제로 반응한 양을 평형상수를 이용해서 살펴보자.
실제로 반응한 양과 우리가 반응했다고 가정한 값이 서로 다르다는 것을 알 수 있으며, 그 차이가 어느정도 있는 것으로 생각할 수 있다. 이는 또 다른 문제를 낳는다. 실제로 보이는 용액의 용액의 색과 우리가 가정한 용액의 색이 달랐다는 점이다. 우리가 관찰하는 용액의 색깔은 착이온들이 미처 흡수하지 못한 빛들이 혼합되어 나타내는 색과 같다. 그러나 우리가 예상한 것과 농도의 조성이 다르기에 그에 따라 나타나는 빛의 색도 달라야 한다. 하지만 우리는 이를 고려하지 않았으므로 기대한 용액의 농도와는 값이 달랐으며 오차가 발생했다고 볼 수 있다. 이 가정 말고도 또 다른 잘못된 가정이 오차를 불러일으켰을 수 있다. 이 가정은 스포이드를 통해서 표준 용액의 높이를 조절할 때 그리고 비색법을 사용할 때 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도만 변한다고 생각한 것이다. 스포이드로 표준 용액을 덜어낸 후 농도를 구하고자 하는 용액의 높이와 표준 용액의 높이를 비교한다. 그 결과 구한 농도를 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도라고 정해서 형성상수의 값을 구한다. 하지만, 용액의 색이 변하는 것은 $Fe(SCN)^{2+}$의 변화와 더불어 다른 착이온들의 농도변화도 영향을 미칠 수 있다. 즉 덜어낸 용액 속에 $Fe(SCN)^{2+}$만 있지 않고 반응물로 참여한 $Fe^{3+}$와 $SCN^-$의 양도 변하여 색을 변화시킬 수도 있다. 한편, 이번 실험에서 증류수가 아니라 일반 수돗물을 사용해서 수돗물 속의 불순물이 영향을 미칠 수 있다는 점, 비색법을 위해 용액의 높이를 측정하는 과정에서 호일을 계속 씌우고 벗기면서 완전히 빛이 차단되지 않아 정확한 색 비교에 어려움이 있었을 점, 계산을 위해서 변수들을 정리한 뒤 한번에 계산하지 않고 순차적 단계에 따라서 정리한 값들을 대입해서 형성 상수의 값을 구했는 등 다양한 요인들이 실험 결과에 영향을 미쳤음을 알 수 있다.
6. Reference
1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 184~191
2. Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 673~702, 1060~1087
3. John R.Rumble, CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th edition, pp. 4-41, 4-78
필요한 개념
화학평형의 개념
평형 상수와 반응지수
불균일 평형과 용해도곱
화학 평형의 이동 – 르 샤틀리에의 원리]
베르의 법칙과 비색법
착화합물과 착이온의 색
위키백과, 우리 모두의 백과사전
평형 상수(平衡常數, 영어: equilibrium constant)는 일반적인 화학 평형에서 다음과 같이 정의된다. (단, 아래 값에는 ‘생성물’, 즉 반응이 완료된 후 남은 양을 대입한다. 남은 양은 주로 M농도를 사용한다)[1]
기본 정의 [ 편집 ]
가역적인 화학반응이 특정온도에서 평형을 이루고 있을 때, 반응물과 생성물의 농도관계를 나타낸 상수이며 반응물 및 생성물의 초기농도에 관계없이 항상 같은 값을 지닌다. 이 값이 크면 평형에서 생성물이 반응물보다 더 많이 존재함을 의미한다. 평형상수는 화학 평형의 법칙으로부터 유도된 것으로 생성물의 몰농도 곱과 반응물의 몰농도 곱의 비이다. 평형상수가 크면 정반응이 활발하여 생성물질이 많이 존재하는 것이고 화학 반응식의 계수가 변하면 평형 상수 값도 변한다. 평형상수는 온도만의 함수로서 압력이나 농도에는 영향을 받지 않는다. 반응물 A와 B가 반응하여 생성물 C와 D를 생성하는 가역적 반응에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.
a A + b B ⇆ c C + d D {\displaystyle aA+bB\leftrightarrows cC+dD} ( a , b , c , d {\displaystyle a,b,c,d} 는 계수)
이러한 가역반응은 일정한 온도에서 시간이 충분히 흐르면 반응물이나 생성물의 초기농도에 관계없이 더 이상 겉보기 농도에 변화가 없는 상태에 이르게 되는데 이를 평형상태라 한다. 이러한 평형상태에서 반응물과 생성물의 농도비는 일정하며, 이 값 K c {\displaystyle K_{c}} 를 평형상수라 한다. 아래첨자 c는 농도(concentration)의 약자이다. 가역적 반응에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.
K c = [ C ] c [ D ] d [ A ] a [ B ] b {\displaystyle K_{c}={\frac {[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}}}
[ A ] , [ B ] , [ C ] , [ D ] {\displaystyle [A],[B],[C],[D]} 는 A , B , C , D {\displaystyle A,B,C,D} 의 평형에서의 몰농도이다. 이를 질량작용의 법칙(law of mass action)이라 하며 1864년 노르웨이의 굴트베르크(C. M. Gouldberg)와 보게(P. Waage)에 의해 제안되었다. 평형상수는 실험적으로 결정하며 화학평형식에 따라 단위는 달라진다. 그러나 관례적으로 평형 상수의 단위를 생략한다. 값은 온도에 따라 변하며 화학식의 계수에 의존한다.속성 [ 편집 ]
전체반응에 대한 K표현 만일 전체 반응이 둘 혹은 그 이상의 반응들의 합이면 전체 평형상수는 각 단계에 대한 평형상수의 곱이다 K 전체 =K 1 ×K 2 ×K 3 ×∙∙∙ ×K n
정반응과 역반응의 K표현 정반응의 평형상수는 역반응의 평형상수의 역수이다 K c {\displaystyle K_{c}} 1 K c {\displaystyle {\frac {1}{K_{c}}}} 만약 큰 K c 값을 가지면 정반응이 많이 진행된다는 것이고 K c 의 역수는 작은 값을 가져 역반응은 거의 진행되지 않는다. 공통인자를 계수에 곱한 반응에 대한 K표현 일반적으로 균형 반응식의 모든 계수에 인자를 곱하면 그 인자는 평형상수에서 지수로 나타난다. 인자n을 곱한 다음 반응식 N(aA+bB ⇄ {\displaystyle \rightleftarrows } K’=Kn 평형상수와 반응지수 화학반응이 아직 평형에 도달하지 않은 상태일 때, 처음 농도를 평형상수 수식에 넣어 얻어진 양을 반응지수(reaction quotient, )라 한다. 와 값을 비교하여 알짜 반응이 평형에 이르기까지 진행할 방향을 예측할 수 있다. ∙ Q c {\displaystyle Q_{c}} K c {\displaystyle K_{c}} ∙ Q c {\displaystyle Q_{c}} K c {\displaystyle K_{c}} ∙ Q c {\displaystyle Q_{c}} K c {\displaystyle K_{c}} 불균일 평형의 평형상수 불균일 평형(heterogeneous equilibrium)이란 다른 상에 있는 반응물들과 생성물들이 관련된 가역 반응의 결과이다. 예를 들어, 탄산 칼슘을 밀폐 용기에서 가열할 때 다음과 같은 평형을 이룬다. CaCO 3 ( s ) ⟷ CaO ( s ) + CO 2 ( g ) {\displaystyle {\ce {CaCO3(s) <-> CaO(s) + CO2(g)}}} K c {\displaystyle K_{c}} [ C a O ] [ C O 2 ] [ C a C O 3 ] {\displaystyle {\frac {[CaO][CO_{2}]}{[CaCO_{3}]}}} 아레니우스 식 평형상수 수식 외에도 평형상수를 구할 수 있는 수식이 있다. A e a − E a R T {\displaystyle Aea^{-}{\tfrac {E_{a}}{RT}}} a : 활성화 에너지, R: 기체 상수(8.3145J/K∙mol) T: 절대온도
평형상수의 종류 [ 편집 ]
압력 평형상수 [ 편집 ]
기체상태의 물질이 평형을 이루고 있을 때 농도 대신 성분 기체의 부분압력을 써서 나타낸 평형상수이다. 이상기체에 가까울 경우, 압력평형상수가 농도평형상수와 비례하기 때문에 화학현상을 설명하는 데 아무런 문제가 발생하지 않는다. 가역적 화학반응 aA + bB ⇆ cC + dD {\displaystyle {\ce {aA+bB\leftrightarrows cC+dD}}} K c {\displaystyle K_{c}} [ C ] c [ D ] d [ A ] a [ B ] b {\displaystyle {\frac {[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}}} 그러나 평형에 참여하는 물질이 기체일 경우에는 각 기체의 부분압을 써서 평형상수를 다음과 같이 나타낼 수 있다. K P {\displaystyle K_{P}} [ P C ] c [ P D ] d [ P A ] a [ P B ] b {\displaystyle {\frac {[P_{C}]^{c}[P_{D}]^{d}}{[P_{A}]^{a}[P_{B}]^{b}}}} K p : 압력평형상수 p A , p B , p C , p D : 각 물질의 부분압
농도로 나타낸 평형상수를 밝힐 필요가 있을 때는 K에 아래 첨자 c를 붙여 K c 로 나타낸다. 이상기체의 경우, 농도로 나타낸 평형상수와 압력으로 나타낸 평형상수 사이에는 비례 관계가 있다. 이상기체의 상태방정식 PV = nRT 로부터 농도 C는
C = n V = P R T {\displaystyle C={\frac {n}{V}}={\frac {P}{RT}}} 이다. 따라서 농도평형상수와 압력평형상수 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
K p = K c (RT)Δn
Δn = (c+d)-(a+b) : 생성물의 계수 합에서 반응물의 계수 합을 뺀 값
그러므로 기체 평형의 경우 농도평형상수는 압력평형상수에 비례한다. 즉, 압력평형상수를 사용하여도 화학현상을 설명하는 데 문제가 없다. 기체의 경우 농도보다는 부분압을 써서 나타내는 것이 보다 편리하기 때문에 압력평형상수를 주로 사용한다.
교환 평형상수 [ 편집 ]
이온 교환 반응에서 반응에 관계되는 이온을 An＋, Bm＋라고 하면,
mAR + nB ( m + ) ⟷ nBR ⋅ + mA ( n + ) {\displaystyle {\ce {mAR+nB^{(}m+)<->nBR.+mA^{(}n+)}}} 따라서, 질량 작용의 법칙에 따라 K = a ( B R ) n ∙ a A m a B n ∙ a ( A R ) m {\displaystyle K={\frac {a_{(}BR)^{n}\bullet a_{A}^{m}}{a_{B}^{n}\bullet a_{(}AR)^{m}}}} 가 된다. 이 K를 교환 평형 상수라고 한다. 단, a AR , a BR 은 각각 교환 흡착된 이온의 활동도, a A , a B 는 각각 용액 속의 이온 활동도이다. K는 이론적으로는 구해질 수 있으나, 수지상 속에는 교환 흡착된 이온 외에 도난 흡착에 의해 침투된 이온이 있어 그 구별이 사실상 불가능하며, a AR , a BR 은 진한 용액의 활동도로 생각되어 활동도 계수도 불명확하므로 사실 K는 구할 수 없다. 이온 교환 평형은 현재에는 교환 흡착된 이온과 도난 흡착에 의해 침투된 이온을 구별하여 생각하지 않는 사고 방식(막평형의 사고 방식)에 따라 해석되고 있다.
혼용된 평형상수 [ 편집 ]
해양학에서 자주 쓰는 혼용된 평형상수는 온도, 압력에 더해 염분의 함수로 규정되며 K가 아니라 K’로 표시한다[2]. 여기서는 각 인자의 영향을 자세하게 논의하지 않고 결과만을 요약해서 소개하려고 한다. 해양의 표면에서 깊은 곳으로 내려가면서 온도는 내려가고 압력은 올라가는데, 이때 일어나는 변화를 탄산의 해리를 예로 들면 다음과 같다. 온도가 내려가면 K’은 작아지고, 압력이 커져도 K’은 작아진다. 염분이 줄어들면 K’이 작아진다. 어떤 평형상수를 골라 쓰는가에 따라 화학종의 농도에 대한 계산 결과가 크게 달라질 수 있다. 따라서 해양의 경우에는 배경 매체가 단순하지 않아서 인공 해수로 구한 것들이 많이 쓰이고 있다. 앞으로는 천연 해수에 대한 값이 쓰여야 할 것이다. [1] 실제 열역학에서는 통상적으로 []로 표시한 총화학량 농도가 아니라 { }로 표시하는 활동도로 정의되어 있다. 그런데 해양학같이 활동도 개념을 엄밀하게 적용하기 어려운 경우에는 활동도와 총화학량 농도를 섞어 쓰는 체계를 주로 사용한다. 활동도의 적용은 극히 드물어서 pH(수소이온 활동도)에만 국한하여 쓰는 경우가 많다. [2] 평형상수식의 입력값을 총화학량 농도로 표기한 경우에는 농도 평형상수(stoichiometric equilibrium constant)라 구분지어 부르며 통상 K’으로 표기한다.
물리화학에서의 평형상수 [ 편집 ]
반응물과 생성물의 표준 몰 gibbs 에너지의 차를 표준 반응 gibbs 에너지 라고 한다. 평형에서는 Δ r G = 0이다. 그리고 평형에서의 부분 압력들의 비는 K로 나타낸다.
0 = △ r G ∘ + R T l n k {\displaystyle 0=\vartriangle rG^{\circ }+RTlnk} 이 식은 다음과 같이 고쳐 쓸 수 있다.
− △ r G ∘ = R T l n k {\displaystyle -\vartriangle rG^{\circ }=RTlnk}
-상이한 온도에서의 K값 어느 한 온도 T 1 에서의 평형 상수 값 K 1 을 이용하여 다른 온도 T 2 에서의 평형 상수를 구하려면 두 온도 사이에서 적분을 이용하면 된다. l n K 2 − l n K 1 = − 1 R ∫ 1 / T 1 1 / T 2 △ r H ∘ d ( 1 / T ) {\displaystyle lnK_{2}-lnK_{1}=-{\frac {1}{R}}\int _{1/T_{1}}^{1/T_{2}}\bigtriangleup _{r}H^{\circ }d(1/T)} r H°이 온도에 조금밖에 의존하지 않는다면 이것을 적분기호 밖으로 끌어낼 수 있다. 그러면 위의 식이 다음과 같이 된다. l n K 2 − l n K 1 = − △ r H ∘ R ( 1 T 2 − 1 T 1 ) {\displaystyle lnK_{2}-lnK_{1}=-{\frac {\bigtriangleup _{r}H^{\circ }}{R}}({\frac {1}{T_{2}}}-{\frac {1}{T_{1}}})}
산해리상수 [ 편집 ]
산의 이온화평형의 평형상수이며, 산의 세기를 나타내는 척도로 값이 클수록 이온화 경향이 크다. 이온화가 여러 단계인 경우에는 각 단계마다 산해리상수를 나타낼 수 있으며 온도에 의해서만 변한다. 산이온화상수라고도 한다. 산해리상수 값이 클수록 이온화가 잘 되는 것이므로 센산이다. 따라서 K a 값만 비교하면 된다. 이온화가 여러 단계로 일어나는 경우에는 각 단계마다 산해리상수를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 아세트산이 물 속에서 이온화하면 각 성분의 농도가 일정하게 유지되는데, 이 때 산해리상수는 평형상수와 같이 온도에 의해서만 변한다.
산을 HA로 나타내고, 그 이온화 평형을 HA ↔ H++A-로 나타낼 때, 산해리상수 K a 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
K a = [ H + ] [ A − ] [ H A ] {\displaystyle K_{a}={\frac {[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}}} -5이다.
가수분해상수 [ 편집 ]
중화반응으로 생긴 염이 다시 이온화하여 생기는 가수분해반응의 평형상수를 말한다. 약한 염기인 암모니아 NH 3 와 강한 산 염화수소 HCl의 중화로 생기는 NH 4 +은 NH 4 ++H 2 O 778 NH 3 +H 3 O+로 가수분해된다. 가수분해상수를 K h 라 하면 K h =cNH 3 ×cH 3 O+/cNH 4 +다. 한편, 수용액 속에서의 NH 3 의 이온화상수는 K b =cNH 4 +×cOH-/cNH 3 , 물의 이온곱은 K w 이므로 K h K b =K w 이다. 이때 가수분해의 평형상수 K h 는 K b 가 작을수록 커진다. 이러한 관계는 약한 산과 강한 염기에서도 성립한다.
아세트산나트륨과 같이 약한 산과 강한 염기 사이에서 형성된 염을 물에 녹이면, 약한 산의 짝염기인 음 이온은 어느 정도 강한 염기이므로 수용액 속에서 수산화이온을 형성한다.
CH 3 COO-+H 2 O → CH 3 COOH+OH- 일반적으로 약한 산의 짝염기 A-의 가수분해 반응의 평형상수 K는 A-+ H 2 O →HA + OH-로 표시하고, 따라서 평형상수는 Ka가 작을수록 큰 값을 갖게 된다. 즉, 음 이온은 그 짝산이 약한 산일수록 가수분해 반응을 잘하며, 염기성 용액을 만든다. 그러므로, 양 이온은 그 짝염기가 약한 염기일수록 가수분해 반응을 잘하여, 산성 용액을 만든다.
용해도곱상수 [ 편집 ]
포화용액에서 염을 구성하는 양이온과 음이온의 농도를 곱한 값을 말한다. 표기는 보통 K sp 로 표시한다. 예를 들어 Ag + ( aq ) + Cl − ( aq ) ⟶ AgCl ( s ) {\displaystyle {\ce {Ag^+(aq) + Cl^-(aq) -> AgCl(s)}}} 의 반응에서
AgCl(s) 은 대표적인 앙금으로. 이때, [Ag+] = 1.33×10−5이다. 이로부터 용해도를 계산하면, 1.923×10−4g/물 100g(20°C)이다. 따라서 평형 상수 K = [Ag+][Cl-] = 1.77×10-10이므로. K s p < m a t h > {\displaystyle K_{sp}
추가개념 [ 편집 ]
평형 상수는 혼합물에서 반응물 및 생성물 종의 초기 분석 농도와 무관하다. 따라서, 시스템의 초기 조성이 주어지면, 평형에서 시스템 의 조성을 결정하기 위해 공지 된 평형 상수 값이 사용될 수 있다. 그러나 온도, 용매 및 이온 강도와 같은 반응 매개 변수 모두 평형 상수의 값에 영향을 줄 수 있다. 평형 상수에 대한 지식은 혈액의 헤모글로빈 에 의한 산소 수송 및 인체의 산-염기 항상성 과 같은 생화학 적 과정뿐만 아니라 많은 화학 시스템의 이해를 위해 필수적이다. 안정성 상수 , 형성 상수, 결합 상수 , 연관 상수 및 해리(이온화) 상수는 모든 유형의 평형 상수이다. 이온화 상수 화학에서 해리 상수(dissociation constant) 또는 이온화 상수(ionization constant)는 이온화 반응의 평형 상수로서 기호 K d 로 나타낸다. A x By ↔ xA+＋yB-위 반응에서 전해질 AB가 수용액 속에서 평형을 이뤘을 때, 각 물질의 농도를 [A x B y ],[A+],[B-]라고 하면, 이 반응의 이온화 상수는 K d = [ x A + ] x [ B − ] y [ A x B y ] {\displaystyle K_{d}={\frac {[xA^{+}]^{x}[B^{-}]^{y}}{[A_{x}B_{y}]}}} 또한 값은 K d {\displaystyle K_{d}} 역로그 값을 취해 사용하고 p K d {\displaystyle pK_{d}} 따라서 p K d = − l o g K d {\displaystyle pK_{d}=-logK_{d}} 이온화 평형을 볼 수 있을 때의 평형상수이다. 전해질이 용액 속에서 어느 정도 이온화되어있는지를 수치로 표현한 것으로, 이 값이 작을수록 이온화가 잘 일어나지 않는 약전해질이다. 이 상수는 두 용액의 농도를 각각 구하여 곱한 뒤, 그 값을 전체 용액의 농도로 나눈 값이다. 전리상수라고도 한다. 예를 들면 전해질이 수용액 중에서 이온화되었을 때 그 반응이, AB ↔ A+＋B-으로 표시되고, 각각의 농도를 [AB], [A+], [B-]라고 하면 k=[A+] [B-]/[AB]를 이온화상수라고 한다. 이것은 전해질이 용액 속에서 어느 정도 이온화되어 있는가의 기준이 되는 수치이며, 이 값이 작은 것일수록 약전해질인 것을 나타낸다. 단, 용액이 충분히 묽지 않을 때는 보정농도(補正濃度)로서 활성도를 도입할 필요가 있다. 활동 계수 값이 평형 시스템에 대해 실험적으로 결정된 경우는 매우 드물다. 실험 계수에서 활동 계수 값을 알 수 없는 상황을 처리하기 위한 세 가지 방법이 있다. 1. 반응물 농도와 함께 계산 된 활동 계수를 사용한다. 용액의 평형의 경우, 활동 계수의 추정치는 Debye-Hückel 이론 , 확장 버전 또는 SIT 이론을 사용하여 얻을 수 있다. 하전 되지 않은 종의 경우, 활동 계수γ 0 은 대부분 “salting-out”모델을 따른다 :log 10 γ 0 =bI여기서I는 이온 강도를 나타낸다. 2. 활동 계수가 모두 1이라고 가정한다. 이것은 모든 농도가 매우 낮을 때 허용되는 방법이다. 3. 용액의 평형을 위해서는 높은 이온 강도의 매체를 사용한다. 실제로 이것은 ‘매체를 참조’하여 표준 상태를 재정의한다. 표준 상태에서의 활동 계수는 정의상 방법1과 동일하다. 이러한 방식으로 결정된 평형 상수의 값은 이온 강도에 의존한다. 공개된 상수가 특정 응용에 필요한 것 이외의 이온 강도를 언급 할 때, 이는 특정 이온 이론 (SIT) 및 다른 이론에 의해 조정될 수 있다.
같이 보기 [ 편집 ]
각주 [ 편집 ]
↑ F.J,C. Rossotti and H. Rossotti, The Determination of Stability Constants, McGraw-Hill, 1961.
참고 문헌 [ 편집 ]
균일평형 [homogeneous equilibrium, 均一平衡] (두산백과)
불균일 평형 [不均一平衡] (Basic 고교생을 위한 화학 용어사전, 2002. 9. 30., 서인호)
가수분해상수 [hydrolysis constant, 加水分解常數] (두산백과)
산해리상수 [acid dissociation constant, 酸解離常數] (두산백과)
이온화상수 [ionization constant, ─化常數] (두산백과)
레이먼드 창의 일반화학 ch14 화학평형 ch16 산염기평형과 용해도 평형
줌달의 기본 일반화학 8TH Edition
외부 링크 [ 편집 ]
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