[분석화학실험]철의 정량

실험 목적

1. 철을 제2철 Fe(III)로 산화시켜 암모니아수로 Fe(OH)‧3H2O 또는 Fe2O3‧n(H2O)침전으로 만들어 씻고 걸러서 강열하여 Fe2O3로 만들어 단 후 이론값과 실험값의 오차를 알아본다.

2. 전반적인 침전의 원리에 대하여 이해한 후 실험 과정에 적용되는 원리를 찾아보고 이에 준하여 실험에 임한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 침전이 가져야 할 성질

용해도가 작아야 한다. 용해도가 크면 침전이 생기지 않는다. 침전이 생기더라도 다시 수용액에 녹아버린다.

침전입자가 커야 한다. 침전입자의 크기가 커야 불순물을 적게 흡착하고, 거르기도 쉽고(거름종이를 통과할 만큼 작으면 안됨.) 불순물을 씻기 쉬워진다.

침전은 안정하고 일정한 화학식을 가지는 것이어야 한다. 정량하고자 하는 성분 뿐만 아니라 다른 것도 침전시키면 안됨. 그리고 일정한 화학식을 가져야 계산을 할 수 있다.

 

2. 과포화도와 침전입자의 크기

용액중에서 침전이 생기기 위해서 용액은 과포화상태가 되어 있어야 한다. 여기서 침전의 시초라고 할 수 있는 극히 작은 결정핵(crystal nucleus)이 생겨나고, 이 결정핵의 표면에 용액중의 성분이온들이 석출되어 결정은 성장하게 된다.

용해도란 일정한 온도와 압력에서 보통의 용액은 일정량의 용질만을 녹이는데, 더 이상 녹일 수 없는 한계에 도달하게 되는데, 이러한 상태를 포화상태(saturation state)라고 한다.

불포화상태란 용질을 더 녹일수 있는 상태. (온도를 올려주면 불포화상태가 되어 더 녹일 수 있다.) [용액(물)100g에 소금(sodium chloride)은 0℃에서 35.7g이 녹고, 100℃에서는39.8g이 녹는다.]

고체상과 평형을 유지하고 있는 용액의 농도, 즉 용해도의 농도보다 더 많은 용질을 녹아 있는 과포화상태(supersaturation state)는 일반적으로 불안정한데, 특히 고체상이 같이 있으면 용질의 일부가 쉽게 결정표면에 석출된다. 일반적으로 과포화도가 클수록 침전이 성장하는 속도는 빠르다.

침전의 성장속도 = k1(Q-S/S) 결정핵의 생성속도 = k2(Q-S/S)n Q: 침전이 시작될 무렵의 용질의 과포화상태의 실제 농도 S: 침전이 생긴 후의 포화용액의 용질의 평형농도(용해도) k1, k2, n : 상수(n은 1보다 크며, k2 > k1)

상대 과포화도 (Q-S)/S

용액에 침전제를 가하면 과포화도가 점차 증가하는데, a에 도달할 때까지 결정핵이 생성되는 수는 적지만 결정의 성장속도는 비교적 크기 때문에 적은 수의 입자가 크게 성장할 수 있다. b보다 더 큰 상대과포화도 상태로 되면 결정핵의 생성은 급격히 증가하게 된다. 그러나 결정의 성장속도가 이에 따라가지 못하기 때문에 많은 결정입자가 생기게 되고, 침전은 미소한 입자상태로 있게 된다.

 

3. 침전 만드는 법

1) 묽은 용액을 섞는 법

일반적으로 침전의 용해도 S는 대단히 작다. 그러므로 Q값이 작아야 상대과포화도 (Q-S)/S값이 작고, 따라서 큰 침전을 얻을 수 있다. 다시 말해, 시료용액과 침전제 용액을 모두 묽게 해야 큰 침전을 얻을 수 있다.

 

2) 높은 온도에서 반응시키는 법

일반적으로, 침전은 온도가 높을수록 큰 용해도 S를 가진다. 그러므로 상대포화도가 작아지게 된다.

 

3) pH를 조절하는 방법

일반적으로 침전은 중성 또는 염기성에서보다 산성에서 더 잘 녹고, 용해도 S가 크기 때문에 상대과포화도가 작아서 큰 입자의 침전을 얻는다. 따라서 녹일 때는 산성화 시키는 것이 좋겠죠. 실험에서는 염산을 첨가합니다. 그리고 염기(ammonia solution)를 가하여 pH를 높여서 침전을 만든다. 용해도가 커지면 상대과포화도가 작아진다.

 

실험 결과

1. 결과 data

1) 도가니의 무게(g) : 120.74g

2) 도가니와 시료의 무게(g) : 121.135g

3) 시료의 무게(g) : [도가니와 시료의 무게 – 도가니 무게] = 0.395g

4) Mohr 염 (FeSO4(NH4)2SO4․6H2O)무게(g) : 1g

5) 함유량(%) : Fe2O3 무게/Mohr 염 무게×0.699×100 = 0.395/1×0.699×100(실제값) = 27.6105

6) 이론값 : Fe 원자량×2/Mohr염 분자량×100 = 55.85*2/392.19×100 = 28.4811

7) 상대오차 : (이론값-실제값)/이론값×100 = 3.0568%

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 철을 제2철 Fe(III)로 산화시켜 암모니아수로 Fe(OH)‧3H2O 또는 Fe2O3‧n(H2O)침전으로 만들어 씻고 걸러서 강열하여 Fe2O3만들어 다는 실험이었다. 오차율은 3.0568%로 이것이 뜻하는 바는 강열할 때에 공기의 공급이 부족하거나 탄소분이 남아있어 Fe3O4가 함께 발생하였기 때문에 이러한 결과가 도출되었다고 추측할 수 있다. 강열 시에는 산소의 공급을 원활하게 하도록 하고 탄소분을 완전히 회화시켜야 한다.