[일반화학실험]흡광도를 이용한 평형상수 측정 1부

실험 목적

용액에서 일어나는 화학반응의 평형상수를 분광광도계 측정(흡광도)으로 결정할 수 있다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

가역반응에서는 화학반응이 진행되어 감에 따라 반응물질은 점점 줄어드나 생성물질은 점점 많아지기 때문에 정반응의 속도는 점점 느려지고 역반응의 속도는 점점 빨라지게 된다. 이렇게 반응이 진행되다가 정반응과 역반응의 속도가 같아지면 겉보기에는 반응이 멈춘 것처럼 보이는 상태에 이르게 되는데 이러한 상태를 화학평형상태라 한다. 이　때에는 더 이상 반응물질과 생성물질의 농도가 변하지 않고 각각 일정하게 유지된다.

 

일반적으로 다음과 같은 화학 반응에서의 평형상수는 일정 온도에서 다음과 같이 정의된다.

 

aA + bB ⟷ cC + dD

 

여기서 A, B, C, D는 반응물 및 생성물의 화학종을 나타내며 [ ]는 평형상태의 몰농도이고, a, b, c, d는 반응식의 계수이다. 모든 반응에 대한 평형조건은 평형상수로 요약할 수 있다. 질산철(Ⅲ) 용액과 티오시안산칼륨 용액을 섞으면 다음 반응에 따라서 붉은 색을 띤 착이온인 FeSCN2+ 이 생긴다.

 

Fe3+ + SCN- ⟷ FeSCN2+

 

이온의 농도(x)를 측정하면 아래와 같이 이 반응의 평형상수를 계산할 수 있다.

 

여기서 a와 b는 각각 Fe3+및 SCN-의 처음농도이다. 생성된 착이온의 농도는 착이온의 표준용약과 색을 비교하여 구할 수 있다. FeSCN2+용액의 흡광도는 이 용액의 농도와 빛이 통과하는 용액의 두께의 곱에 비례한다. Beer-Lambert의 법칙에 의하면 A=εbc, 여기서 A는 흡광도, ε은 흡광계수, b는 용기의 길이, c는 용액의 농도이다.

 

2. 분광도

1) 분광법(Spectroscopy)

분자의 구조와 성질을 규명하기 위해 분자내의 에너지와 빛에너지 사의의 상호작 용을 이용하는 방법이다.

 

2) 분광법의 기본원리

분자는 외부로부터 분자에 빛에너지를 쪼이면 회전, 진동, 전자에너지의 분자에너지에 해당하는 일정한 에너지의 파장만을 흡수하게 된다. 분자의 화학결합 상태나 구조적인 특성에 따리 흡수되는 정도가 달라져 서로 다른 흡수스펙트럼을 나타내게 된다. 이러한 성질을 이용하여 정성 및 정량분석을 할 수 있는 것이다.

 

3) 흡수분광법

복사선을 시약 속으로 통과시킬 때 어떤 진동수의 복사선의 흡수되는가를 관측하는 방법이다.

 

4) 흡광도

일정한 세기를 가진 어떤 파장의 빛이 용액 층을 통과한 후 광도가 그 일정세기로 될 때의 양을 흡광도라고 하며, 세기 I0를 가진 어떤 빛이 용액 층을 통과한 후에 광도가 2가 되며 그 양은 log10(I0/I)으로 정의된다. 람베르트-베르의 법칙이 성립하는 경우에는 log10(l0/I)=ℇ은 몰 흡광계수 c는 용액의 몰농도 d는 용액 층의 두께를 나타낸다. 따라서 ℇ과 d를 알면 광학밀도 측정으로 농도 c를 결정할 수 있다.

 

5) Beer-Lambert 법칙 (A =εbc)

여기서 A는 흡광도, ε는 몰흡광계수, b는 빛이 투과하는 셀의 길이, c는 용액의 농도이다. ε는 분자의 종류와 흡수된 빛의 진동수에 따라 다르다. ε의 단위로는 1/(농도×길이)의 단위와 같은 것으로 일반적으로는M-1㎝-1로 표시하는 것이 편하다. 여기서 알 수 있듯이 빛을 흡수하는 분자의 단면이 크면 클수록 입사광선의 세기가 더 감쇠함을 알 수 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 기기

UV-분광기, 100㎖ 용량플라스크, 50㎖ 비커, 피펫

 

2) 시약

① 티오시안산칼륨

로단칼리·로단화칼륨·황시안화칼륨 등이라고도 한다. 화학식 KSCN. 무색 결정으로, 녹는점 172.3℃, 비중 1.886이다. 500℃에서 분해된다. 물 100g에 0℃에서 177.2g, 20℃에서 217g 녹는다. 아세톤·알코올·아밀알코올 등에도 녹는다. 조해성을 가진다. 3가 철이온과 작용하여 물에 잘 녹는 적색 티오시안산철 Fe(SCN)3를 생성한다.

② 질산철

Fe(NO3)2·6H2O. 질산제일철이라고도 한다. 담녹색 결정으로, 녹는점 60.5℃이다. 습한 상태에서는 안정하나, 건조시키면 암적색의 염기성 질산철(Ⅲ)로 변한다. 황화철 또는 철을 냉각한 묽은 질산에 녹이거나, 질산철(Ⅲ)을 은으로 환원시키면 생긴다. 일반적으로 육수화물이나, 이밖에 구수화물 Fe(NO3)2·9H2O도 알려져 있다. 무수물은 얻지 못하고 있다.

③ 질산

HNO3의 화학식을 갖는 무색의 발연성 액체이며, 분자량은 63, 녹는점은 -42℃, 끓는점은 83℃이다. 밀도가 1.50 g/㎤ (25℃)로서 매우 강한 산의 하나이며 빛을 쬐면 분해되어 물과 이산화질소, 그리고 산소를 만든다. 따라서 질산은 빛이 투과되지 않는 갈색 병에 넣어 햇빛이 비치지 않는 곳에 보관해야 한다. 질산은 산화력이 강해 구리나 은 등을 녹인다. 진한 질산과 진한 염산을 1 : 3의 비율로 혼합하여 만든 용액을 왕수라고 하는데 왕수는 금도 용해시킬 수 있다.

실험 방법

1. 실험 과정

1) 100㎖ 삼각플라스크에 0.00200M KSCN 용액을 만든다.

(97.16x0.002/10)=0.0194g

 

2) 100㎖ 삼각플라스크에 0.200M Fe(NO3)3 용액을 만든다.

(404x0.2/10)=8.08g

(2차 실험을 위해서 0.00200M Fe(NO3)3 용액도 만든다.)

 

3) 100㎖ 삼각플라스크에 0.05M HNO3 용액을 만든다.

(1.38x10x60/63.01)=13.14

1 : 13.14 = x : 0.05         ∴ x=0.38

 

4) 아래 비율로 용액을 혼합한다.

1차 실험

Solution	0.00200M KSCN	0.200M Fe(NO3)3	0.05M HNO3
1	5.0㎖	5.0㎖	15.0㎖
2	4.0㎖	5.0㎖	16.0㎖
3	3.0㎖	5.0㎖	17.0㎖
4	2.0㎖	5.0㎖	18.0㎖
5	1.0㎖	5.0㎖	19.0㎖

5) 분광기를 이용한 UV-vis 측정

 

6) 아래 비율로 용액을 혼합한다.

2차 실험

Solution	0.00200M Fe(NO3)3	0.00200M KSCN	0.05M HNO3
1	5.0㎖	1.0㎖	4.0㎖
2	5.0㎖	2.0㎖	3.0㎖
3	5.0㎖	3.0㎖	2.0㎖
4	5.0㎖	4.0㎖	1.0㎖
5	5.0㎖	5.0㎖	0

7) 분광기를 이용한 UV-vis 측정

 

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