[무기화학실험]이온성 염 – 단순염과 겹염 : NaCl(소금)의 정제 2부

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

funnel, Bűchner funnel, 삼각 flask, glass tube, 비커, 고무관

2. 실험 시약

시약명	영문명	분자식	M.W (g/㏖)	M.P (℃)	B.P (℃)	Density (g/㎥)
황산염	Sulfate	SO42-	96.058
소금	Salt;Sodium Chloride	NaCl	58.44	801	1413	2.165
	- 순수한 NaCl은 조해성이 없다 소금의 용해도(g/100g H2O) 온도(℃) 0 10 20 30 50 70 90 100 용해도 35.7 35.8 36.0 36.3 37.0 37.8 39.0 39.8
칼슘	Calcium	Ca	40.078	842	1484	1.55
마그네슘	Magnesium	㎎	24.3050	650	1091	1.738
염화바륨	Barium Chloride	BaCl2	208.23	962	1560	3.856 (고체)
질산	Nitric Acid	HNO3	63.012	83℃(pure acid) /120.5℃(68%용액)	83	1.5129
황산	Sulfoic Acid	H2SO4	98.079	10	337	1.84
옥살산암모늄	Ammonium Oxalate	(NH4)2∙C2O4∙H2O	142.11	70		1.5
수산화나트륨	Sodium Hydroxide	NaOH	39.997	318	1390	2.13
	- 공기 中 H2O, CO2와 반응해 탄산나트륨을 형성한다.(조해성), 그렇기 때문에 공기와의 접촉을 최대한 차단하여 보관한다. 물에 녹을 때 열 발생한다(주의)
염산	Hydrochloric Acid	HCl	36.46	-114	-85	0.91
	- 강산으로서, 금속의 산화물과 일반적으로 반응하여 염화은이 되지만, 비금속과는 거의 반응이 없다. HCl은 상온에서 기체로 존재하며, 액체로 쓰고 있는 염산은, 염화수소를 물에 녹인 수용액

1) 아조기 염료 – 나프톨 염료

p-니트로벤젠아조-4-레조르시놀(p-nitrobenzeneazo-4-resorcinol, 아조바이올렛)

C12H9N3O4·O2N-(C6H6)-N=N-(C6H4(OH)2)

M.W= 259g/㏖    M.P= 199~200℃

용도①  Mg의 검출용 시약 : 강알칼리성으로 수산화마그네슘의 콜로이드상침전에 흡착되어 레이크를 만들고 청색으로 나타난다.

용도②  Be, Zr, Zn과 적색 레이크를 만든다. Al, Co, Ni과도 반응

용도③ 산염기 지시약 : 나트륨염을 사용한다. pH11이하 → 황색, pH13이상→보라색

∴ 레이크 : 흡착성 체질 안료를 사용하여 그 위에 염료를 침전시키 것을 염료부착 안료 혹은 레이크라 한다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 뜨거운 물 150㎖ 에 막소금 50g 녹인다.

2) 냉각시키고 여과한 뒤 소량을 취하여 염화바륨과 질산을 가한다.

3) 칼슘 정성분석을 위해 옥살산암모늄을 가한다.

4) 마그네슘 정성분석을 위해 파라-니트로벤젠-아조-레조시놀 용액을 가하고 2N NaOH를 가한다.

5) (정성분석 후)남은 용액을 삼각 플라스크에 넣고 HCl 가스를 통과시킨다.(황산을 적가하여 HCl가스를 발생시킨다)

6) 생성되는 결정의 형태를 관찰한 뒤 많은 침전물이 형성 시 여과하여 건조시킨다.(진한 HCl수용액으로 닦아준다)

 

2. 심화 학습

1) 증발접시 가열 : NaCl의 수분제거 및 재가 될 때까지 가열하면 유기 불순물도 제거할 수 있다.

과포화된 소금용액

BaCl2 적가

옥살산암모늄 적가

2) 황산염 정성분석과정에서 질산을 넣으면 BaCl2 적가 시 생기는 염이 BaCO3나 다른 염이 아니라 BaSO4인 것을 확인할 수 있다.(BaCO3(s) + 2HNO3 → Ba(NO3)2 + H2O + CO2) : 질산이 다른 음이온들을 잡아서 반응시키는 역할을 한다.

3) HCl에 H2SO4 적가하면 H2SO4가 물을 흡수하는 성질에 의해 염화수소 수용액에서 수분을 흡수시켜 HCl(g)로 관을 타고 가게 만든다.

4) HCl(g)가 들어갈 때, Cl-이온이 과량으로 소금용액에 녹아들어가며, Le Châtelier의 원리에 의해 NaCl(s)석출로 평형이동한다.

소금 정제장치

소금 정제장치-NaCl석출되는 모습

검출된 소금

5) 일반적으로 정제법은 용해도차이에 의한 석출이지만, 이와 같은 경우 용해되어있는 주성분과 불순물이 용해된 양 자체에 많은 차이가 있고 그 원리를 이용한 실험임을 확인.

검출된 소금 여과

여과된 소금

수분제거

정제소금 - BaCl2적가

정제소금 – 옥살삼암모늄 적가

 

실험 결과

1. 정량 분석

정제소금(+ watch glass + filter paper) = 35.2909g

watch glass + filter paper = 31.8448g

정제소금 = 3.4461g

 

2. 정성 분석

1) 처음의 소금과 정제된 소금의 순도 비교

① 황산염 확인 (반응식 : SO42- + BaCl2 + HCl → BaSO4↓ + 2Cl-)

막소금에 BaCl2 적가

정제소금에 BaCl2적가

 

② 칼슘 확인 (반응식 : Ca2+ + (NH4)2C2O4 → CaC2O4↓ + 2NH3)

막소금에 옥살산암모늄 적가

정제소금에 옥살삼암모늄 적가

 

토의 사항

1. 실험 고찰

결과의 사진을 보면 아직 완벽한 정제가 되지 않았다는 것을 2차로 BaCl2 를 적가했을 때, 아직 앙금생성이 되는 것을 확인한 것으로 미루어보아 추측 할 수 있다. 즉, 소금 내에 아직 황산이온이 존재하고 있음을 확인. 그러나 옥살산암모늄의 2차 적가 시 앙금이 생성되지 않은 용액이 확인되어, 칼슘은 정제과정에서 제대로 제거되었음을 확인하였다.

순도 높은 NaCl을 얻기 위해서는 다음과 같은 석출 과정을 계속하여 진행하는 재결정과정이 필요하다는 것을 확인하였다. 또한, 석출된 소금양이 상당히 적었던 것에 대해서는 flask에 남은 소금을 여과하는 과정에서 포화용액으로 다시 녹여 Bűchner funnel을 통과시키는 대신 실수로 증류수를 이용해 녹여서, 다시 다량의 NaCl이 녹아들어갔음을 추측할 수 있고, 이로 인해 석출된 NaCl값이 작아졌을 거라 추측한다.

 

참고 문헌

1. 무기화학실험, 신영국 외4

2. 최신일반화학실험

3. 일반화학, Raymond Chang

4. 물리화학, P.W.Atkins, 자유아카데미, 1995

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