[화공열역학실험]평형 분배 1부

실험 목적

서로 섞이지 않는 두 용매 사이에서 일어나는 용질의 평형 분배 상수를 결정한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

용질 A가 들어있는 용액에 용질은 녹이지만 용매와는 섞이지 않는 용매를 넣었을 때 평형에서 용액 안의 용질의 농도는 불균일상 평형분배 상수로 나타낸다. 이때의 상태 변화는 상 1에서도 A 분자상태로 있고 상 2에서도 A 분자상태로 있다.

A(상1) = A(상2)

일정한 온도에서의 상태 변화에 대한 평형상수는 다음과 같다.

K = c2/c1 ···· 식(1)

c1 : 상 1에서의 용질 분자의 농도       c2 : 상 2에서의 용질 분자의 농도

 

두 용액에서 용질 A의 이온화, 해리, 회합이 일어나지 않으면 두 평형 농도 c10 와 c20을 c1과 c2 대신에 사용할 수 있다. 그러나 용질이 이온화하거나 회합하는 경우에는 질량보존과 질량작용의 법칙을 써야 한다.

1) 용질이 용매에서 이온화하는 경우로, 아세트산은 물에서 일부 이온화한다.

c1은 이온화하지 않은 분자의 농도로 산해리상수 Ka = 1.8 ×10-5 와 평형에서 용매 1

의 전체 농도 c10 를 써서 얻는다.

c10 ≫ Ka인 경우  x : 이온의 농도   ···· 식(2)

c10 = C10 - c20

c10 : 상1에서의 전체 평형 농도

C10 : 용매 2를 섞기 전의 상1에서 초기 아세트산의 농도

c20 : 상2에서 전체 평형 농도

 

2) 두 번째는 용매 2에서 용질 분자의 단위체가 회합하여 이합체를 만드는 경우의 상태 변화를 보면,

A2(상2) = 2A(상2)

평형에서 이합체의 해리상수는,

식(3)

cA : 이합체로 되지 않은 용질 분자의 농도 (c2)

질량보존을 써서 계산하면

식 (3)에을 대입하면,

식 (1)에서 c2 = Kc1이고, 양변을 c1으로 나누면,

식(4)

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

 

2. 실험 시약

Name	Formula	Purity (%)	Brand
Acetic acid	CH3COOH	99.5	Daejung
Sodium hydroxide	NaOH	97	Daejung
Hydrochloric acid	HCl	35-37	Daejung
Ethyl ether	C4H10O	99	Daejung
Phenolphthalein	C20H14O4	98	Samchun
Ethyl alcohol	C2H5OH	94.5	Daejung
Benzene	C6H6	99.5	Daejung
Distilled water	H2O	100

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.5N 아세트산 용액 500㎖를 제조한 후 묽혀서 0.25N, 0.125N 아세트산 용액을 100㎖씩 제조한다.

2) 0.01N NaoH 500㎖를 제조한다.

3) 1% phenolphthalein solution 100㎖를 제조한다.

4) 0.01N HCl solution 100㎖를 제조한다. 20㎖ 씩 사용해서 NaOH 표준화를 2회 한다.

5) 표준화 된 NaOH용액을 1㎖이용해서 acetic acid solution 표준화를 2회한다.

 

2. benzene - water계

1) 각 농도의 아세트산 용액 50㎖와 벤젠 50㎖를 분액깔때기에 넣어준다.

2) 평형이 도달된 후 벤젠층을 취하는데, 0.5N 아세트산 용액은 10㎖, 0.25N, 0.125N은 20㎖를 취한다.

3) 페놀프탈레인 지시약 2~3 방울 넣고 0.01N NaOH로 두 번씩 적정한다.

 

3. ether - water계

1) 각 농도의 아세트산 용액 50㎖와 에테르 50㎖를 분액깔때기에 넣어준다.

2) 평형이 도달된 후 물층을 취하는데, 0.5N 에테르는 5㎖, 0.25N, 0.125N은 10㎖를 취한다.

3) 페놀프탈레인 지시약 2~3 방울 넣고 0.05N NaOH로 두 번씩 적정한다.

 

4. 결과 처리

벤젠-물 계의 네 개의 수용액 실험 자료로 물과 벤젠 사이의 식초산의 분배상수를 정하고 식(4)를 써서 벤젠에서의 식초산 이합체의 해리상수를 계산한다. 수용액에서의 초기 식초산 농도 C10와 벤젠에서의 전체 평형 농도 c20를 이용하여 물상에서의 산의 전체 평형 농도 c10를 결정한다. 그런 다음 물에 해리되지 않은 식초산 농도 c1을 결정한다.

식(2)와 식초산의 Ka값에서 (c20/c1)을 계산하고, c10, c20, c1과 (c20/c1)을 표로 정리한다. c1 대 (c20/c1)을 도시하고 측정치들을 통과하는 가장 좋은 직선을 구한다. 이 직선의 기울기와 절편에서 K와 Kd값을 정한다.

에테르-물 계에 대해서는, 세 개의 수용액의 산 농도에서 에테르 상에 있는 전체 산의 농도를 식 c20 = C10 - c10로 부터 결정한다. 그런 다음 방정식 (2)를 써서 물상에서 해리되지 않은 산의 농도를 계산한다. 에테르 안에서는 산의 이온화, 해리 또는 회합이 일어나지 않으므로 분배상수는 c2 = c20 로 놓고 식(1)에서 결정한다.

 

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