[일반화학실험]탄산염의 분석 1부

실험 목적

탄산염이 염산과 반응하여 발생하는 이산화탄소의 양을 측정해서 탄산염의 종류를 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 화학량론

완결된 화학 반응식은 반응물과 생성물 사이의 양적인 관계를 나타내는데 이러한 양적관계를 연구하는 화학의 분야을 말한다. 화학반응식은 한 개 이상의 반응물들이 한 개 이상의 생성물들을 생성하는 것으로 표시된다. 화학 반응에서 원자들은 재결합 하지만, 새로운 원자가 생성되거나 파괴되지 않는다.

완결된 화학반응식은 화살표의 양쪽에 있는 각 원자의 수를 동일하게 갖게 되고, 반응에 포함된 각 물질의 몰수비로 표시된다. 화학양론은 반응에 포함된 물질의 양에 대한 상호관련성을 이해하는데 필요하다. 완결된 화학반응식을 이용하여 물질의 양들이 계산되고 반응물과 생성물의 질량으로부터 화학반응식의 계수를 계산할 수 있다.

 

2. 일정성분비의 법칙

주어진 화합물에 있는 원소의 질량비는 화합물의 유래나 제조 방법에 관계 없이 일정하다. 순수한 염화나트륨은 바닷물이나 암염, 혹은 나트륨과 염소의 합성 등 어떤 과정에 의해 얻어졌던 간에 질량비로 39.34%의 나트륨과 60.66%의 염소를 포함한다. 물론 나트륨과 염소 이외엔 다른 원소가 전혀 없는 "순수하다"라는 것이 여기서는 중요하다. 돌턴의 원자설에서는 화합물은 다른 원소의 원자들이 작은 정수비로 결합하여 만들어 진다고 일정성분비의 법칙을 설명하였다.

3. 배수 비례의 법칙

가장 간단히 생각할 수 있는 화합물은 두 가지 원소의 원자들이 하나씩 대응하여 결합을 이루는 이원자 분자이다. 그러나 18~19세기까지만 해도 두 원소가 여러 가지 조성비로 결합을 하여 둘 이상의 화합물을 만든다는 것은 이미 잘 알려졌다.

비소(As)와 황(S)가 결합하면 비소 1.000g당 황의 질량이 각각 0.642g과 0.428g인 두 가지의 황화물이 만들어진다. 두 원소에 있는 황의 질량비는 0.642:0.428 = 1.50 = 3:2이다. 따라서 두 번째 화합물의 화학식이 AsS의 정수배라면 첫 번째 화합물의 화학식은 As2S3의 정수배가 된다. 즉, 두 원소가 둘 이상의 화합물을 만들 때 한 원소에 대한 다른 원소의 질량은 작은 정수비를 나타낸다.

 

4. 알칼리 금속

1족 원소로 Li(리튬), Na(나트륨), K(칼륨), Rb(루비듐), Cs(세슘), Fr(프랑슘)이 있으며 녹는점이 낮고 비교적 부드러운 금속들로 1개의 전자를 잃고 비활성 기체와 같은 구조를 가진 1가의 양이온으로 되기 쉬워 염소와 반응하여 NaCl, RbCl 등과 같은 1:1의 이성분 화합물을 생성한다.

알칼리 금속은 물과 반응하여 수소를 발생시킨다, 칼륨, 루비듐, 세슘 등은 물과 매우 격렬히 반응하므로 주의하여 다루어야 하며, 물과의 반응열로 인해 발생하는 수소에 의해 불꽃이 생긴다. 이들은 산소와 2:1의 비율(Na2O, K2O와 같이)로 산화물을 형성하거나 KO2나 Na2O2처럼 다른 비율의 반응성이 큰 화합물을 형성하기도 한다. 나트륨과 칼륨은 바닷물 속에 용해된 NaCl과 KCl형태로 아주 흔하게 존재한다. 이 둘은 생물계에서 아주 중요한데, 용해된 K와 Na의 적절한 균형은 세포벽을 통과하는 분자들의 수송을 조절하는 데 필수적이며, 용해된 Li 또한 세포에서 중요한 역할을 하여 조율증의 치료에 사용된다.

알칼리 금속은 M2CO3 형태의 탄산염을 형성하며, 알칼리 금속의 탄산염을 염산에 넣어주면 이산화탄소가 발생한다. 주어진 무게의 탄산염에서 얻어진 이산화탄소의 양을 알아내면 알칼리 금속M의 종류를 알아낼 수 있다.

M2CO3 + 2HCl → 2M+ + Cl- + H2O + CO2

알칼리 금속의 탄산염이 염산과 반응할 때 발생하는 기체의 부피는 물을 채운 유리관을 이용해서 측정한다. 기체의 부피를 측저아기 위한 목적으로 제작된 측기관(eudometer)을 사용 할 수도 있다.

 

5. 이상기체 방정식

Boyle의 법칙	P ∝ 1/V	일정한 n과 T
Charles의 법칙	V ∝ T	일정한 n과 P
Avogadro의 법칙	V ∝ n	일정한 P와 T

낮은 압력에서 기체의 실험적 사실에 대한 두 가지 결과를 알아보면, 첫째, 보일의 법칙은 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피에 대한 압력의 영향을 말해 준다.

V∝1/P (일정한 온도에서 일정량의 기체에 대해)

둘째, 샤를의 법칙은 압력과 기체의 양이 일정할 때 온도에 대한 기체 부피의 변화를 말해 준다.

V∝T (일정한 압력에서 일정량의 기체에 대해)

여기서 T는 절대 온도이어야만 한다.

세 번째의 식은 일정한 온도와 압력의 조건에서 기체의 부피가 기체의 양에 따라 어떻게 변하는가 하는 것이다. 이러한 조건하에서 모든 물질(기체, 액체 또는 고체)의 부피는 그 양에만 의존하는데, 만일 그렇지 않다면 물질들은 그들의 일정한 밀도를 가질 수 없을 것이다, 따라서 기체에 대해서 다음과 같이 쓸 수 있다고 확실할 수 있다.

V∝n (일정한 온도와 일정한 압력에서)

여기서 n은 기체의 화학적인 양을 나타낸다.

 

따라서 위의 세 가지 사실들에 대하여 다음과 같이 합하여 표현할 수 있다,

V∝nT/P

여기서 R이라는 비례 상수를 도입하게 되면, V=R∙nT/P 또는 PV=nRT 되어 P= nRT/V이 된다.

위의 식은 대기압 근처에서 모든 기체에 대해 거의 잘 적용되고, 압력이 감소할수록 더욱 정확히 적용되는 실험법칙인 이상기체 법칙이라 하며, 이상기체 방정식이라고 하기도 한다. 여기서 비례상수로 쓰인 R에 대한 식으로 쓰게 되면, R = nPT/V 가 된다, 이 R을 아보가드로의 가설에 적용하여 보자. 이 가설에 의하면 같은 온도와 압력 하에 이는 일정한 부피의 기체는 그 기체의 종류가 달라도 같은 수의 분자(즉, 몰)를 포함하고 있다.

다시 말하면 일정한 V, P, T에 있어서 기체의 종류와 상관없이 n은 일정하다는 것이며, 따라서 R은 모든 기체상태의 물질에 대해 일정한 값을 갖는 일반 기체 상수(Universal gas constant)이다. R의 값은 사용되는 V, P, T 및 n의 단위에 따라 달라진다. T는 Kelvin 단위만을 사용하며, n은 몰 단위만을 사용한다. 물의 어는점(273.15K)에서 PV 값은 낮은 기압에서 1몰의 기체에 대하여 22.4141 L·atm에 근전한 값을 갖는다. 따라서 R의 값은 아래와 같이 된다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 50㎖ 뷰렛, 100㎖ 삼각플라스크, 고무마개, 유리관, 고무관, 스탠드

2) 25 ㎖ 피펫, 수위조절기, 파라 필름

 

2. 실험 시약

1) 6M HCl 용액, 알칼리 금속의 탄산염(M2CO3 ; Na2CO3, Li2CO3, K2CO3)

 

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