[분석화학실험]양이온, 음이온 정성분석 - 시험관에서는 무슨 반응이? 1부

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

본 실험은 양이온과 음이온들에게 분족 시약을 첨가하여 각 이온에서 나타나는 특징을 알 수 있는 각개반응을 통하여 양이온 제1족과 제3족, 음이온의 특징을 이해하고 그를 이용해 미지의 용액 속에서 양이온들을 구분하여 분리하는 개통분석의 원리를 알고 직접 실험을 하여 분석화학의 일종인 정성분석에 대해 이해한다. 양이온과 음이온은 공통된 침전을 일으키는 분족 시약에 의해 원소와 같이 족으로 구분 지을 수 있는데 각각 족마다 다른 분족 시약에 대하여 이해하고 이온의 종류도 알아본다.

 

2. 정성 분석

어떤 모르는 시료에 녹아있는 화합물의 유무, 종류, 또는 농도 등을 알아내는 일은 분석 화학의 한 분야로써 매우 중요하다. 이러한 목적으로 2가지 정도로 크게 나눌 수 있는데 바로 정성분석과 정량분석이다.

정성분석은 어떤 물질이 있고 없고의 유무에 목적이 있고 정량분석은 유무보다는 더 나아가 얼마만큼의 양이 들어가 있는지 즉 양적관계를 알아내는 것에 목적이 크다. 그래서 정성분석은 리트머스 반응이나 불꽃반응, IR, 크로마토그래피를 통해도 할 수 있는 것이고 정량분석은 보다 더 정말한 양을 요구하기 때문에 UV기계나 적정에 의해 정확한 양이 측정되어야 한다.

이러한 분석 모두 그 물질의 고유한 특성을 이용하여야 한다. 이러한 특징으로는 단순히 지각을 이용한, 예를 들어 맛, 색, 냄새 등을 사용 할 수도 있고 더 많은 경우는 그 시료가 단일 물질이라면 끓는점, 녹는점, 용해도등으로 혼합물이라면 각각의 성분의 특징을 먼저 알고 그 성질을 고려하여 분리한 다음 각 성분에 대하여 각각 조사를 해야 한다. 그렇기 때문에 물질의 물리적, 화학적 특성을 조사하거나 분석하여 잘 활용하여야 한다.

본 실험에서는 시료를 용액으로 만들어 어떤 이온들에게 어떤 시약을 첨가하면 침전되거나 용해되는 공통된 성질을 이용 하여 다른 이온들로부터 분리시켜 용액 속에 녹아있는 이온의 종류를 알아낸다.

 

3. 양이온의 분류

위에서 설명한 그 공통된 성질을 이용하여 양이온을 족을 나누어 사용한다. 양이온을 구분하는 족은 1가, 2가, 3가로 구분 하는 것이 아니고 단순하게 어떤 시약을 넣었을 때 똑같은 침전을 특성으로 갖게 하는 시약인 분족시약 이라는 것과 반응한 특징에 따라 양이온을 구분 한다.

그리하여 족은 6족으로 나눌 수 있는데 양이온 제1족은 Cl-와 반응하여 물에 잘 녹지 않는 염화물 침전을 만들고, 산성 용액에서 양이온 제2족은 S2-와 반응해 황화물 침전을 만든다. 그리고 암모니아 완충용액에서 OH-와 함께 수산화물 침전을 생성시키는 것은 양이온 제3족이다. 양이온 제2족과는 다르게 염기성 용액에서 황화물 침전을 일으키는 양이온은 제4족이라 하고, 양이온 제5족은 탄산염 침전을 형성한다. 마지막으로 거의 침전을 이루지 않는 양이온이 있는데 이를 6족으로 분류한다.

아래의 표는 분족 시약에 의한 계통적 침전분리를 양이온 제1족에서 제5족까지 각 족으로 나누어 놓은 것이다.

족	제1족	제2족		제3족		제4족	제5족
분족 시약	HCl	H2S 또는 TA(0.3N HCl)		NH4Cl, NH4OH	H2S 또는 TA (NH4OH)	(NH4)2CO3
각 소속 이온	Ag+ Hg2+ Pb2+	Cu족	Sn족	Al족	Ni족	Ba2+ Ca2+ Sr2+	K+ Na+ Mg2+ NH4+
		Hg2+ Pb2+ Bi3+ Cu2+ Cd2+	Sn2+ Sn4+ As3+ As5+ Sb3+, Sb5+	Fe3+ Al3+ (Mn3+) Cr3+	Ni2+ Mn2+ Co2+ Zn2+

 

계통분석이란 적당하게 분족 시약을 가하여 침전으로 이온들을 분리해 나가는 분석방법을 말한다. 이러한 표를 바탕으로 우리는 계통분석을 할 수 있다. 그런데 계통분석을 하기 위해서는 각 화합물들이 어떻게 침전, 용해되는지 알아야 하기 때문에 계통분석 실험에 앞서 각개반응을 통하여 일어나는 반응을 먼저 이해하여야 한다.

쉽게 이해를 돕기 위하여 예를 들어 보겠다. 어떤 미지의 시료용액 중에서 Pb2+의 유무를 확인해 보려고 한다. 그렇다면 먼저, 각개반응을 통하여 Pb(NO3)3에 HCl을 넣고 원심분리하면 PbCl2의 흰색 앙금이 침전 되는 것을 알 수 있다.

Pb2+(aq) + Cl-(aq) → PbCl2 (s) (식1)

그리고 이 침전을 뜨거운 물에 녹이면 침전이 녹는 것을 육안으로도 관찰할 수 있고 더 확실히 하기 위하여 녹은 앙금에 K2CrO4를 첨가하면 노란색 앙금이 침전되는 것을 알 수 있다.

Pb2+(aq) + CrO42- (aq) → PbCrO4(s) (식2)

각개반응을 통하여 다음과 같은 사실들을 알았다면 이젠 계통분석을 할 수 있다. 미지의 시료용액이 있으면 먼저 HCl을 넣고 흰색 앙금의 침전물이 생긴다면 이 침전에는 양이온 1족이 들어있다는 것이다. 하지만 이것만 보고는 이 앙금이 PbCl2, AgCl, Hg2Cl2인지는 아직 모른다. 그 다음에 상징액을 버리고 침전물에 온수를 넣으면, 만약 Pb2+가 있다면, 앙금이 조금 줄어들 게 될 것이다. 그리고 원심분리를 통하여 침전물을 형성하면 그 상징액이 우리가 알고 싶었던 Pb2+이온이 들어 있는 것이고 잔사는 나머지 염화물이 남아 있을 것이다. 이런 식으로 각개반응을 하여 각 이온들의 특징을 안다면 개통분석을 하는 것은 어렵지가 않을 것이다.

 

4. 음이온의 분류

어떤 모르는 시료에 녹아있는 음이온을 확인할 때에도 양이온의 경우처럼 각각의 각개반응을 통하여 각 이온들의 특징을 알아두어 체계적으로 계통분석이 가능하지만 양이온과는 다르게 음이온의 정성분석은 실험이 흔하게 실행되지도 않아서 대체로 음이온마다의 독특한 확인 방법을 사용하여 시료용액에 포함된 음이온을 확인하는 것이 훨씬 편리하다. 그리하여 분족 시약에 의해 분리를 하긴 하는데 단지 시료용액 속의 이온들의 유무를 알아내기 위한 예비 수단으로 쓰일 뿐 분리 수단으로 쓰이지는 않는다.

음이온을 분류하는 방법은 약알칼리성 용액에서 Ca(NO3)2와 Ba(NO3)2 혼합용액에 의해 침전된 이온들을 음이온 제1족, 묽은 HNO3 산성 용액에서 AgNO3에 침전이 되는 이온들을 음이온 제2족 그리고 위의 방법으로도 침전이 생기지 않은 이온들을 음이온 제3족으로 분류한다.

다음을 표로 나타내었다.

족	제1족	제2족	제3족
분족시약	Ca(NO3)2, Ba(NO3)2	AgNO3	X
각 소속 이온	SO42-, SO32- CO32-, SiO42- CrO42-, CrO42- PO43-, AsO33- AsO43-, C2O42- F-, C4H4O62- S2O32-, BO33- B4O72-	Cl- Br- I- S2- CN- Fe(CN)64- S2O32- SCN-	NO3- NO2- ClO3- C2H3O2- C4H4O62- C6H5O72- MnO4-

음이온들은 양이온과는 다르게 아주 적은 소량의 시료 용액에 분족 시약을 떨어뜨려 들어있는 음이온과 독특한 반응을 일으켜 확인하는 방법인 점적분석 이라는 방법을 사용한다. 그리고 음이온의 정성분석은 양이온의 정성분석을 역으로 생각하면 쉽게 할 수 있다. 예를 들어 NaCl 용액에 AgNO3 용액을 가할 때 침전이 형성되면 할로겐 이온이 존재함을 예견케 하는 것을 들 수 있다.

Cl-(aq) + Ag+(aq) ⟶ AgCl(s) (식3)

본 실험은 양이온의 6족 중에서 1족과 3족에 대한 실험만 할 것이다. 양이온 제1족에 대해서는 계통분석을 위해 먼저 각개반응을 통하여 성질을 이해한 다음 이들의 특성을 이용해 분족 시약으로 확인하는 계통분석을 할 것이다. 그리고 양이온 제3족은 양이온의 특성을 각개반응 실험을 통하여 계통분석을 할 수 있도록 각 반응들을 이해하여야 한다. 또한 음이온들을 점적분석을 통하여 그 독특한 반응들을 이해하고 토론해 보겠다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 시험관×16개, 시험관꽂이, 원심분리기, Volumetric flask×15개

2) pipette, filler, 스포이드

2. 실험 시약

1) 양이온 제1족의 각개반응

(1) 연습액 - AgNO3, Pb(NO3)2, Hg2(NO3)2

(2) 정제해야 할 시약 - 6M-HCl, 0.1M-K2CrO4, 0.01M-NH4OH, 0.1M-K4Fe(CN)6

(3) 묽은용액 - d-NH4OH, d-HNO3, d-HCl, d-H2SO4

(4) 진한용액 - c-HNO3

(5) 증류수, 온수

 

2) 양이온 제1족의 계통분석

(1) 정제해야 할 추가 시약 - 6M-NH4OH, 6M-H2SO4, 1M-K2CrO4

(2) 진한용액 - c-HNO3

 

3) 양이온 제3족의 각개반응

(1) 연습액 - Fe(NO3)3, Al(NO3)3, Cr(NO3)3

(2) 정제해야 할 시약 - 3M-NH4OH, 3M-NH4Cl, 6M-NaOH, 3M-HCl, 0.2M-K3Fe(CN)6, 0.2M-K3Fe(CN)6, 6M-NH4OH

(3) 0.1%-Aluminone , 3%-H2O2

실험 방법

1. 양이온 제 1족의 정성분석

양이온의 정성분석 실험은 양이온 계통분석 실험을 해야 한다. 이것을 하기 위해 각개반응을 먼저 하여 특징을 각각의 반응의 특징을 알아본 후 개통분석 실험에 들어가야 한다. 실험을 위해 먼저 시약을 모두 만들어 놓고 실험을 하는 것이 편리하기 때문에 시약을 먼저 만들어야 한다.

① 각개 반응

1) 용액준비하기

(1) 연습액을 준비한다.

1) AgNO3

2) Pb(NO3)2

3) Hg2(NO3)2

 

(2) 그 다음 시약을 정제 한다.

1) 6M-HCl

2) 0.1M-K2CrO4

3) 0.01M-NH4OH

4) 0.1M-K4Fe(CN)6

 

(3) 실험에 필요한 다음의 묽은 용액을 준비해야 한다. 정량분석이 아닌 정량분석이니 정해진 정도 없이 1:4정도로 물을 섞어 희석시킨다.

d-NH4OH, d-HNO3, d-HCl, d-H2SO4

(4) 실험에 필요한 진한 용액 c-HNO3를 준비한다.

(5) 용액이 준비가 다 되었으면 시험관 16개에 견출지로 번호를 1~16까지 써넣는다.

 

2) 원심분리하기 전

(1) 먼저 시험관 1, 2에 AgNO3 2㎖를 각각 넣고, 6M-HCl 5방울을 넣어 침전시킨다.

(2) 시험관 3, 4, 5, 6에 Pb(NO3)2 2㎖를 각각 넣고 시험관 3, 4에는 6M-HCl 5방울을 넣고 시험관 5, 6에는 d-HCl 1㎖를 넣어 침전시킨다.

(3) 시험관 7, 8, 9에 Hg2(NO3)22㎖를 각각 넣고 d-HCl 5방울씩을 가하여 침전시킨다.

(4) 시험관 10, 11, 12에 AgNO3 2㎖를 각각 넣는다.

(5) 시험관 1~9까지를 원심분리기에 넣어 원심분리 한다.

 

3) 관찰하기

(1) 시험관 1에 온수를 가하고 관찰한다.

(2) 시험관 2에 d-NH4OH를 가하여 침전을 용해시킨 후 다시 d-HNO3를 가하여 관찰 한다.

(3) 시험관 3에 온수를 가하고 세게 흔들고 관찰한다.

(4) 시험관 4에 d-NH4OH를 가한 후 관찰한다.

(5) 시험관 5, 6에 상징액을 따라 버리고 온수 1㎖씩을 가하여 용해시킨다.

(6) 시험관 5에 0.1M-K2CrO4한 방울을 가하여 관찰한다.

(7) 시험관 6에 d-H2SO4한 방울을 가하여 관찰한다.

(8) 시험관 7, 8, 9의 상징액을 따라 버린다.

(9) 시험관 7에 온수를 가한 후 관찰한다.

(10) 시험관 8에 d-NH4OH를 가한 후 관찰한다.

(11) 시험관 9에 c-HNO3를 가한 후 관찰한다.

(12) 시험관 10에 0.01M-NH4OH 한 방울을 가한 후 관찰한다.

(13) 시험관 11에 0.1M-K2CrO4한 방울을 가한 후 관찰한다.

(14) 시험관 12에 0.1M-K4Fe(CN)₆, 한 방울을 가한 후 관찰한다.

 

② 계통분석

1) 추가 용액 준비하기

(1) 6M-NH4OH

(2) 6M-H2SO4

(3) 1M-K2CrO4

 

2) 실험 과정

(1) 연습액 AgNO3, Pb(NO3)2, Hg2(NO3)2를 2㎖씩을 시험관 13에 넣어 섞는다.

(2) 시험관 13에 d-HCl을 넣은 후 원심 분리한다.

(3) d-HCl로 세척하고, 증류수로 다시 한 번 세척한다.

(4) 시험관 13의 상징액을 버리고 온수에 녹인 다음 다시 원심분리기에 넣어 원심분리 한다.

(5) 시험관 14, 15에 시험관 13의 상징액을 2분하여 따른 후 시험관 13에 6M-NH4OH를 가한 후 원심 분리한다.

(6) 시험관 13이 원심분리 되는 동안 시험관 14에 6M-H2SO4를 가하여 백색 침전의 생성을 관찰한다.

(7) 시험관 15에 1M-K2CrO4를 가하여 황색 침전의 생성을 관찰한다.

(8) 시험관 13이 원심분리가 끝나면 상징액을 시험관 16에 따른다.

(9) 시험관 13이 흑색 침전을 관찰한다.

(10) 시험관 16에 c-HNO3를 넣어 백색 침전을 관찰한다.

 

2. 양이온 제 3족의 각개반응

1) 용액 준비하기

(1) 연습액을 준비한다.

1) Fe(NO3)3

2) Al(NO3)3

3) Cr(NO3)3

 

(2) 그 다음 시약을 정제한다.

1) 3M-NH4OH	2) 3M-NH4Cl	3) 6M-NaOH
4) 3M-HCl	5) 0.2M-K3Fe(CN)6	6) 0.2M-K3Fe(CN)6
7) 6M-NH4OH	8) 6M-HCl

 

(3) 용액이 준비가 다 되었으면 시험관 11개에 견출지로 번호를 1~11까지 써넣는다.

 

2) 원심분리하기 전

(1) 먼저 시험관 1,2에 연습액 Fe(NO3)3 1㎖씩 넣는다.

(2) 시험관 1에 3M-NH4OH 4방울을 넣어 침전시킨다.

(3) 시험관 2에 3M-NH4Cl과 3M-NH4OH 4방울씩 넣어 침전시킨다.

(4) 시험관 3,4에 연습액 Fe(NO3)3 .0.5㎖씩 넣는다.

(5) 시험관 3에 0.2M-K3Fe(CN)6 2방울을 넣고 시험관을 관찰한다.

(6) 시험관 4에 0.2M-K4Fe(CN)6 2방울을 넣고 시험관을 관찰한다.

(7) 시험관 5,6에 연습액 Al(NO3)3 1㎖씩 넣고 3M-NH4Cl과 3M-NH4OH 5방울씩 넣어 침전시킨다.

(8) 시험관 7에 연습액 Al(NO3)3 .0.5㎖씩 넣고 3M-NH4Cl과 3M-NH4OH 5방울씩 넣은 다음 0.1%-Aluminone 2방울을 넣고 생긴 침전의 색을 관찰 한다. 그리고 이 침전을 Al(OH)3 침전과 비교한다.

(9) 시험관 8,9,10.11에 연습액 Cr(NO3)3 .0.5㎖씩 넣는다.

(10) 시험관 8,9,10에 3M-NH4Cl과 3M-NH4OH 5방울씩 넣어 침전시킨다.

(11) 시험관 11에 6M-NaOH 3방울과 3%-H2O2 4방울을 넣고 가열시킨 후 색을 관찰한다.

(12) 시험관 11에 연습액 PbNO3를 2방울 넣고 관찰한다.

(13) 시험관 1,2,5,6,8,9,,10을 원심분리기에 넣어 원심분리 한다.

 

3) 관찰하기

(1) 시험관 1의 상층액을 버리고 6M-NaOH 2방울씩을 넣어주면서 시험관을 관찰한다.

(2) 시험관 2의 상층액을 버리고 3M-HCl을 6방울씩 넣어주면서 시험관을 관찰한다.

(3) 시험관 5의 상층액을 버리고 6M-NaOH를 한 방울씩 가하면서 흔들어 보며 시험관을 관찰한다.

(4) 시험관 6의 상층액을 버리고 6M-HCl를 한 방울씩 가하면서 흔들어 보며 시험관을 관찰한다.

(5) 시험관 8의 상층액을 버리고 6M-NaOH를 과량 가하면서 시험관을 관찰한다. 만약 녹는다면 액을 가열한다.

(6) 시험관 9의 상층액을 버리고 6M-NH4OH를 과량 가하면서 시험관을 관찰한다.

(7) 시험관 10의 상층액을 버리고 3M-HCl을 한 방울씩 가하면서 시험관을 관찰한다.

 

3. 음이온의 정성분석

1) 용액 준비하기

(1) 연습액을 준비한다.

1) K2CrO4

2) NaCl

3) KI

 

(2) 그 다음 시약을 정제한다.

1) Ba(NO3)2	2) AgNO3	3) Pb(OAc)2
4) KMnO4	5) HNO3	6) NH4OH

 

(3) 실험에 필요한 묽은 용액 d-H2SO4을 준비해야 한다. 정량분석이 아닌 정량분석이니 정해진 정도 없이 (1/6~1/8)정도로 물을 섞어 희석시킨다.

(4) 용액이 준비가 다 되었으면 시험관 7개에 견출지로 번호를 1~7까지 써넣는다.

주의할 점은 양이온 시험관과 헷갈리지 않게 표시를 다르게 한다.

 

2) 실험 과정

(1) 시험관 1에 연습액 K2CrO4 5방울을 넣고 Ba(NO3)2 2방울을 넣고 시험관을 관찰한다.

(2) 시험관 2에 3%-H2O2 1㎖와 d-H2SO4 2㎖ 그리고 Ether 2㎖를 넣고 연습액 K2CrO4를 한 방울 한 방울씩 넣어 약 1㎖ 정도 넣고 시험관을 관찰한다.

(3) 시험관 2를 흔들어서 그 전과 변화를 관찰한다.

(4) 시험관 3,4,5에 연습액 NaCl을 5방울씩 넣어준다.

(5) 시험관 3에 AgNO3 4방울을 넣어준후 시험관을 관찰한다.

(6) 시험관 4에 Pb(OAc)2 4방울을 넣어준후 시험관을 관찰한다.

(7) 시험관 5에 KMnO4 2방울과 d-H2SO4 2방울을 넣어준후 시험관을 관찰한다.

(8) 시험관 6에 연습액 KI 3㎖를 넣고 AgNO3 10방울 정도 넣어준 후 침전이 생기면 원심분리기에 넣어 원심분리 한다.

(9) 시험관 6을 원심분리 하면 그 상층액을 버리고 남은 침전을 2분할 하여 그 반을 7에 넣는다.

(10) 시험관 6에 0.2M-HNO3를 넣어준 후 시험관을 관찰한다.

(11) 시험관 7에 3M-NH4Cl를 넣어준 후 시험관을 관찰한다.

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