[일반화학실험]흡광도를 이용한 평형상수 측정 2부






실험 방법


1. 실험과정

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



실험 결과


1. 1차 실험 분석

용액

0.002M KSCN

0.2M 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㎖

 

[SCN-]=[FeSCN2+]


철의 농도가 100배 진하므로 KSCN은 모두 FeSCN2+로 반응하여 KSCN의 농도와 동일하게 된다.

 

Trial

[SCN-]

[FeSCN2+]

흡광도

1

0.002M×0.005L = 0.00001M

0.00001M

1.94

2

0.002M×0.004L = 0.000008M

0.000008M

1.69

3

0.002M×0.003L = 0.000006M

0.000006M

1.342

4

0.002M×0.002L = 0.000004M

0.000004M

0.965

5

0.002M×0.001L = 0.000002M

0.000002M

0.495

 

※ A=εbc

∴ 농도 c=A/εb 농도를 알기 위해 몰흡광계수를 알아야 한다.

몰흡광계수 ε=A/bc

농도와 흡광도로 ε를 구한다.(b는 1㎝이므로 무시해도 된다.)

1

1.94/1.0E-05 =

1.94E+05

2

1.69/8.0E-06 =

2.11E+05

3

1.342/6.0E-06 =

2.24E+05

4

0.965/4.0E-06 =

2.41E+05

5

0.495/2.0E-06 =

2.48E+05

 

평균 ε =

2.24E+05

 

2. 2차 실험 분석

용액

0.002M Fe(NO3)3

0.002M 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㎖



※ A=εbc 이고 ε=2.24E+05이므로 혼합물의 농도는 A/ε=c 이다.

 

Trial

Solution 6

Solution 7

Solution 8

Solution 9

Solution 10

Absorbance

0.389

0.694

1.005

1.239

0.682

[FeSCN2+]

(from graph)

1.73×10-6㏖

3.09×10-6㏖

4.48×10-6㏖

5.53×10-6㏖

3.04×10-6㏖

Volume Fe3+

5㎖

5㎖

5㎖

5㎖

5㎖

[Fe3+]initial

0.00001M

0.00001M

0.00001M

0.00001M

0.00001M

[Fe3+]final

8.27×10-6㏖

6.91×10-6㏖

5.52×10-6㏖

4.47×10-6㏖

6.96×10-6㏖

Volume SCN-

1㎖

2㎖

3㎖

4㎖

5㎖

[SCN-]initial

2.0×10-6㏖

4.0×10-6㏖

6.0×10-6㏖

8.0×10-6㏖

1.0×10-5㏖

[SCN-]final

2.7×10-7㏖

9.1×10-7㏖

1.52×10-6㏖

2.47×10-6㏖

6.96×10-6㏖


Solution 6



Solution 7


Solution 8


Solution 9


Solution 10


평균 : K=4.7×105



토의 사항


1. 실험 고찰

본 목적은 용액에서 일어나는 화학반응의 평형상수를 분광광도계 측정으로 결정하는데 있다. 용액에서 일어나는 화학반응의 평형상수는 반응의 반응물과 생성물의 농도를 측정하여 결정한다. 평형상수 결정에 필요한 농도는 용액 안의 물질의 빛 즉 흡광도로 얻을 수 있는데 각 물질의 흡광도는 아주 독특하고 고유하다. 물질에 의한 빛의 흡수는 일반적으로 물질의 성질을 구별하는 데 사용되고 물질이 다르거나 같은 물질에서도 농도에 따라서 상당히 달라진다.

 

일반적으로 가시광선과 자외선의 흡수는 분자 안의 전자 전이와 관계가 있는 반면, 특성 적외선 흡수는 진동과 회전변화에 의한 것이다. 빛이 흡수되면 시료를 통과한 빛의 세기는 줄어들어 빛의 세기를 측정하면 입사광의 세기보다 작아진다. 용액에서는 어떤 주어진 입사광의 파장, 보통 nanometer(nm)나 10-9meter단위로 측정되므로 광학적 밀도 혹은 흡광도 A는 다음과 같이 나타낸 Beer-Lambert 법칙에 따라 변한다.

 

위의 내용으로 1차 실험의 혼합물의 흡광도와 알려진 농도를 가지고 Calibration curve를 만들고 이를 통해서 물질의 고유한 값인 몰흡광계수를 구할 수 있고 구한 흡광계수를 이용하여 실험(2)의 혼합물의 흡광도로부터 각 Solution의 농도를 구하여 2차 실험의 각 Solution의 평형상수를 구할 수 있다. 평형상수 K에서 K > 1 일 경우를 정반응이라 하며, 평형상태에서 생성물이 주를 이루며, 열역학적이라고 한다.

 

반면, K < 1 일 경우는 이와 반대로 역반응이라 하며, 평형상태에서 반응물이 주를 이루고 있으며, 열역학적이지 못하다고 한다. 용액 Fe(NO3)3 에서 Fe3+가 해리되고, 용액 KSCN 에서 SCN-가 해리되어 나오게 되고 이로 인해 화학식이 다음과 같게 된다.

 

Fe3+ + SCN- → [FeSCN2+]

 

이때의 반응상수 K는 아래와 같이 계산할 수 있다.

 

 

실험 방법으로 실행하여 2차 실험의 solution 6~9까지 구한 흡광도의 값들을 살펴보면 비슷한 값을 얻어냈지만, solution 10의 흡광도의 값은, 예상과 달랐다. 예상의 값이라면 solution 9의 흡광도의 값과 비슷하거나 높게 나와야 하지만 실험결과에서는 solution 7과 비슷한 값을 얻게 되었다.

 

이런 오차가 생겨난 이유는 2차 실험을 할 때 HNO3 용액이 부족하여 새로운 용액을 만들었기 때문일 가능성이나, 흡광도를 측정할 때 셀(cell)의 주변이 깨끗하지 못해 지문이나, 메탄올의 여분, 사용한 티슈의 잔여가 남아있을 가능성이 있어 낮은 값의 흡광도를 얻게 되었다고 예상할 수 있다. 다음 클로로필 추출 실험에서는 UV-vis를 사용하는데, 이때는 셀의 사용에 유의하여 실험에 임한다.

 

2. 결론

본 실험은 화학종의 농도를 측정하여 평형상수를 구하는 실험인데,‘반응이 평형에 도달하면, 반응이 어떤 방향으로도 자발적으로 진행되지 않게 되어 조성이 더 이상 변하지 않는다. 평형에서의 반응계수는 반응의 평형상수K라고 불리는 특정 값을 갖게 된다.’ 평형상수 K는 생성물과 반응물의 농도로 구할 수 있다. 즉 반응식이 aA + bB ⟷ cC + dD 일 때, 

 가 된다.

 

실험 방법은 0.002M KSCN, 0.2M Fe(NO3)3, 0.002M Fe(NO3)3, 0.05M HNO3 용액을 비율이 다르게 혼합하여 UV-spectrum을 통해서 물질의 고유한 특성인 흡광도를 알고 이를 이용하여 혼합물의 농도를 구하여 각 실험의 평형상수를 계산하는 실험이다.

 

본 실험은 UV-spectrum기기를 사용하므로 좀 더 정확한 실험의 결과를 얻기 위해서는 기기의 사용법과 용액을 담는 셀의 사용에 유의 하여야 한다. 만약 기기의 조작이 미숙할 경우 spectrum이 형광등이나 자연광에 노출되어 우리가 구하고자 하는 물질외에 다른 피크가 혼재되어 원하는 실험결과를 얻을 수 없게 된다. 또한 셀에 이물질이 존재하거나 셀의 설치가 잘못되면 빛이 투과하는 과정에 문제가 발생하여 실험에 차질이 발생할 수 있다.

 

정리된 실험결과를 보면 2차 실험에서 6~9까지의 실험결과는 1~5번의 실험결과와 비슷한 경향성을 보이지만 마지막의 10번 실험결과는 앞의 결과와 다르다는 것을 알 수 있다. 하지만 10번 실험을 제외한 나머지 실험들이 거의 유사한 평형 상수값을 가지고 농도에 따른 흡광도의 그래프 또한 유사한 경향을 보이는 것으로 보아서 전체적인 실험은 성공적이라고 생각되어진다.





Reactions





댓글 쓰기

0 댓글