[화공열역학실험]평형 분배 2부

실험 결과

1. Data sheet

1) NaOH 표준화

	사용한 0.01N HCl 용액(㎖)	사용한 0.01N NaOH 용액(㎖)	표준화된 NaOH 농도(N)
1회	20	24	0.0083
2회	20	24.5	0.0082
Cal	1회 : 0.01N×20㎖ = x×24㎖ ∴x=0.0083N 2회 : 0.01N×20㎖ = x×24.5㎖ ∴x=0.0082N

2) 제조한 CH3COOH 수용액 표준화

	0.5N CH3COOH	0.25N CH3COOH	0.125 CH3COOH
적정에 사용한 용액의 양(㎖)	1	1	1
1차 적정에 사용한 NaOH 양(㎖)	59	23	13.3
2차 적정에 사용한 NaOH 양(㎖)	61	22.3	13.4
Cal	0.5N : 60㎖×0.00825N = 1㎖×x ∴x=0.495N 0.25N : 22.65㎖×0.00825N = 1㎖×x ∴x=0.1869N 0.125N : 13.35㎖×0.00825N = 1㎖×x ∴x=0.1101N

3) 벤젠-물 계

	0.5N 아세트산 용액		0.25N 아세트산 용액		0.125N 아세트산 용액
평형 후 취한 벤젠층(㎖)	10		20		20
적정에 사용된 0.01N NaOH양(㎖)	8.5	8.4	6.0	5.9	3	2.9

4) NaOH 표준화

	사용한 0.01N HCl 용액(㎖)	사용한 0.05N NaOH 용액(㎖)	표준화된 NaOH 농도(N)
1회	25	6.0	0.0417
2회	25	5.5	0.0455
Cal	1회 : 0.01N×25㎖ = x×6㎖       ∴x=0.0417N 2회 : 0.01N×25㎖ = x×5.5㎖       ∴x=0.0455N

5) 제조한 CH3COOH 수용액 표준화

	0.5N CH3COOH	0.25N CH3COOH	0.125 CH3COOH
적정에 사용한 용액의 양(㎖)	1	1	1
1차 적정에 사용한 NaOH 양(㎖)	11	5.5	2.4
2차 적정에 사용한 NaOH 양(㎖)	10	5	2.3
0.5N : 10.5㎖×0.0436N = 1㎖×x ∴x=0.4578N 0.25N : 5.25㎖×0.0436N = 1㎖×x ∴x=0.2289N 0.125N : 2.35㎖×0.0436N = 1㎖×x ∴x=0.1025N

 

6) 에테르-물 계

	0.5N 아세트산 용액		0.25N 아세트산 용액		0.125N 아세트산 용액
평형 후 취한 물층(㎖)	5		10		10
적정에 사용된 0.05N NaOH양(㎖)	35.7	36.2	35.5	36.8	17.9	17.5

2. 결과 분석

1) 벤젠-물 계

① 벤젠에서의 평형농도 (C20)

아세트산 용액의 농도 (C10)	NaOH 평형농도	NaOH 적정부피 (㎖)	벤젠층의 취한 부피 (㎖)	평형 전체농도 (C20)
0.5N	0.00825N	8.45	10	0.0070N
0.25N		5.95	20	0.0025N
0.125N		2.95	20	0.0012N
0.5N : 8.45㎖×0.00825N = 10㎖×x ∴x=0.0070N 0.25N : 5.95㎖×0.00825N = 20㎖×x ∴x=0.0025N 0.125N : 2.95㎖×0.00825N = 20㎖×x ∴x=0.0012N

② 물에서의 평형농도 (C10)

아세트산 용액의 농도(C10)	벤젠에서의 평형전체농도 (C20)	평형농도 (C10)
0.5N	0.0070N	0.488N
0.25N	0.0025N	0.1844N
0.125N	0.0012N	0.1089N
0.5N : 0.495N – 0.0070N = 0.488N 0.25N : 0.1869N – 0.0025N = 0.1844N 0.125N : 0.1101N – 0.0012N = 0.1089N

③ 물에 해리되지 않은 식초산의 농도(C1)

평형농도 (C10)	산 해리상수 (Ka)	해리되지 않은 식초산의 농도(C1)
0.488N	1.8×10-5	0.485N
0.1844N		0.1826N
0.1089N		0.1075N
C1 = C10 - (C10Ka)½ 0.488N-(0.488N×1.8×10-5)½ = 0.485N 0.1844N-(0.1844N×1.8×10-5)½ = 0.1826N 0.1089N-(0.1089N×1.8×10-5)½ = 0.1075N

④ C20/C1값 계산(물에 해리되지 않은 식초산의 농도(C1))

C10	C20	C1	C20/C1	K	Kd
0.488N	0.0070N	0.485N	0.0144	0.0114	0.0388
0.1844N	0.0025N	0.1826N	0.0137
0.1089N	0.0012N	0.1075N	0.0112

y절편 = K = 0.0114

2K2/Kd = 0.0067 = 2×0.01142/Kd

Kd = 0.0388

C1대 C20/C1도시 그래프
절편 : K, 기울기 2K2/Kd로 Kd구함

 

2) 에테르-물 계

① 물에서의 평형농도

아세트산 용액의 농도	NaOH 평형농도	NaOH 적정부피(㎖)	물층의 취한 부피 (㎖)	평형전체농도(C10)
0.5N	0.0436N	35.95	5	0.3135N
0.25N		36.15	10	0.1576N
0.125N		17.7	10	0.0772N
0.5N : 35.95㎖×0.0436N = 5㎖×x ∴x=0.3135N 0.25N : 36.15㎖×0.0436N = 10㎖×x ∴x=0.1576N 0.125N : 17.7㎖×0.0436N = 10㎖×x ∴x=0.0772N

 

② 에테르에서의 평형농도 (C20)

아세트산 용액의 농도(C10)	물에서의 평형전체농도 (C10)	에테르층의 평형농도 (C20)
0.5N	0.3135N	0.1443N
0.25N	0.1576N	0.0713N
0.125N	0.0772N	0.0253N
0.5N : 0.4578N – 0.3135N = 0.1443N 0.25N : 0.2289N – 0.1576N = 0.0713N 0.125N : 0.1025N – 0.0772N = 0.0253N

 

③ 물에 해리되지 않는 식초산의 농도(C1)

평형농도 (C10)	산 해리상수(Ka)	해리되지 않은 식초산의 농도 (C1)
0.3135N	1.8×10-5	0.3111N
0.1576N		0.1559N
0.0772N		0.0760N
0.3135N-(0.3135N×1.8×10-5)½ = 0.3111N 0.1576N-(0.1576N×1.8×10-5)½ = 0.1559N 0.0772N-(0.0772N×1.8×10-5)½ = 0.0760N

 

④ 분배상수 (K)

C20=C2	C1	K	K 평균
0.1443N	0.3111N	0.1443N/0.3111N = 0.4638	0.418
0.0713N	0.1559N	0.0713N/0.1559N = 0.4573
0.0253N	0.0760N	0.0253N/0.0760N = 0.3329

에테르는 산의 이온화, 해리, 화합이 일어나지 않으므로 C20=C2

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 서로 섞이지 않는 두 용매에 용질을 넣어 혼합물을 분리 시키고 용매를 추출해 용질의 분배계수를 구하는 실험이었다. 먼저 0.5N 아세트산 용액 500㎖, 0.01N NaoH 500㎖, 1% phenolphthalein solution 100㎖를 제조한다. 그리고 아세트산 용액을 묽혀서 0.25N, 0.125N 아세트산 용액을 100㎖씩 제조한다. 0.01N HCl solution 100㎖를 제조하고 20㎖ 씩 사용해서 NaOH 표준화를 2회 한다. 적정을 하면서 순간적인 색변화를 직접 눈으로 보기 어려워서 오차가 생겼을 수 있다. 표준화 된 NaOH용액을 1㎖ 이용해서 acetic acid solution 표준화를 2회한다.

각 농도의 아세트산 용액 50㎖와 벤젠 50㎖를 분액깔때기에 넣어준다. 층을 분리하면 상대적으로 가벼운 벤젠이 윗층에 형성된다. 그리고 0.5N 아세트산 용액은 10㎖, 0.25N, 0.125N은 20㎖의 벤젠층을 취하고 페놀프탈레인 지시약 2~3 방울 넣고 0.01N NaOH로 두 번씩 적정한다. 벤젠층을 취할 때 피펫을 잘 못하면 물층까지 채취될 수 있는데 그렇게 되면 오차가 발생할 수 있으니 조심해야한다.

각 농도의 아세트산 용액 50㎖와 에테르 50㎖를 분액깔때기에 넣어준다. 평형이 도달된 후 물층을 취하는데, 0.5N 에테르는 5㎖, 0.25N, 0.125N은 10㎖를 취한다. 페놀프탈레인 지시약 2~3 방울 넣고 0.05N NaOH로 두 번씩 적정한다. 적정한 값으로 평형상수를 구한다. 평형상수는 K = c2/c1로 구하는데 만약 K값이 5라면 이것은 평형에서 C2의 농도가 5배 더 커야한다는 것을 의미하고 평형의 위치가 C1에 치우쳐 있다는 것을 의미한다. 

따라서 벤젠-물 계에서는 벤젠에서의 평행전체농도가 해리되지 않은 식초산의 농도보다 0.0114배 더 커야 평형에 도달한다는 것이다. 그리고 에테르-물 계에서는 에테르층의 평행농도가 해리되지 않은 식초산의 농도보다 0.418배 더 커야 평형에 도달한다는 것이다. 벤젠-물 계보다 에테르-물 계가 더 치우쳐 있고 상대적으로 많은 생성물이 평형상태의 계에 존재한다는 것이다.

 

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