[분석화학실험]양이온, 음이온 정성분석 - 시험관에서는 무슨 반응이? 2부

실험 결과

1. 양이온 제1족 각개반응

시험관	관찰내용	반응식
1	HCl을 넣으니 흰 앙금 생성되었다. 원심분리 한 후 온수를 넣으니 변화가 없이 처음처럼 흰색 앙금이 생겼지만 시간이 지난 후 약간 연보라색으로 앙금이 변했다. 앙금의 입자가 고왔다	AgNO3 + HCl → AgCl↓ + HNO3 (식1)
2	HCl을 넣으니 흰 앙금 생성되었다. d-NH4OH를 열 방울 정도 넣으니까 앙금이 조금씩 녹기 시작했다. d-HNO3를 가하니 우유처럼 용액이 변했다. 시간이 지난 후 앙금의 색이 약간 회색빛을 띄는 입자가 고운 앙금으로 변했다.	AgCl↓ + 2NH4OH → Ag(NH3)2 + Cl- + 2H2O (식2)   Ag(NH3)2 + Cl- + 2HNO3 → AgCl↓ + 2NH4NO3 (식3)
3	HCl을 넣으니 흰 앙금 생성되었다. HCl → 흰 앙금 생성 → 원심분리 HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. 원심분리 후 온수를 넣고 세게 흔드니깐 앙금이 풀어졌다가 흰색 앙금이 조금 녹았다. 시간이 지난 후 관찰해 보면 시험관 1,2에 비해 입자가 크고 눈같은 결정체의 새하얀 앙금이 생긴다.	Pb(NO3)2 + 2HCl → PbCl2 + 2HNO3 (식4)   PbCl2 ⇄ Pb2+ + 2Cl- (식5)
4	HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. 위쪽에 앙금이 생기는 걸로 봐서 앙금이 상징액 보다 가볍다. 원심분리 후 d-NH₄OH를 열 방울 이상 넣어도 앙금이 녹지 않았다. 시간이 지난 후 보면 시험관 3과 비슷하지만 눈 같기보단 긴 결정형 앙금이 생성된다.	2PbCl2↓ +NH4OH → 2Pb(NH3)Cl↓ + 2H2O (식6)   Pb(NO3)2 + 2HCl → PbCl2↓ + 2HNO3 (식7)
5	HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. 온수를 넣으니깐 잘 녹았다. 0.1M-K2CrO4를 넣으니 노란색 앙금이 천천히 생기기 시작했다. 시간이 지난 후 관찰해보면 노란색 앙금에 입자는 그렇게 크지 않은 앙금이 생성되어있다.	Pb + K2CrO4 → PbCrO4↓ + 2K (식8)

6	HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. 온수를 넣으니깐 잘 녹았다. d-H2SO4를 넣으면 흰색 앙금이 재빨리 형성된다. 시간이 지난 후 관찰해 보면 시험관 1,2같은 앙금이 생성되었다.	Pb + H2SO4 → PbSO4↓ + 2H (식9)
7	d-HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. 온수를 넣으니까 뿌옇게 우유처럼 변했다. 시간이 지나도 비슷하다.	Hg2(NO3)2 + 2HCl → Hg2Cl2↓ + 2HNO3 (식10)
8	d-HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. d-NH4OH를 넣으니 검정색 침전이 생겼다. 결정의 크기는 시험관 5번과 비슷하다.	Hg2Cl2↓ + 2NH4OH → 2Hg(NH2)Cl↓ + Hg(l)↓ +NH4Cl + 2H2O (식11)
9	d-HCl을 넣으니 흰 앙금이 생성되었다. c-HNO3를 넣으니 앙금이 녹았다. 아직 안 녹은 앙금이 뭉쳐서 둥둥 떠다닌다. 시간이 지난 후 관찰해 보면 밀가루 색으로 시험관 6과 결정이 비슷하게 생겼다.	3Hg2Cl2↓ + 8HNO3 → 3HgCl2↓ + 3Hg(NO3)2 + 4H2O + 2NO (식12)
10	0.01M-NH4OH를 넣으면 앙금이 가라 앉다기 보단 용액색이 변하는 느낌으로 황토색으로 변한다. 시간이 지난 후 관찰해 보면 밑에를 그을린 것 같이 입자는 보이지 않는다.	AgNO3 + 2NH4OH → Ag(NH3)2+ + 2H2O + NO- (식13)
11	0.1M-K2CrO4를 넣으면 점점 빨간색 앙금이 내려오면서 결국 가라앉는다. 시간이 지나면 적갈색으로 결정은 입자가 곱다.	2AgNO3 + K2CrO4 → AgCrO4↓ + 2KNO3 (식14)
12	0.1M-K4Fe(CN)6를 넣으면 다른거와는 다르게 밑에서부터 흰색 앙금이 생긴다. 특이한 결정체이다.	2AgNO3 + K4Fe(CN)6 → K2AgFe(CN)6↓ + 2KNO3 (식15)

 

시험관 1,2에는 모두 AgNO3 + HCl → AgCl↓ + HNO3 (식1) 의 하얀색 침전이 생긴다. 시험관 1에서는 온수를 넣어도 변화가 없는 걸로 보아 침전 AgCl은 온수에 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 시험관 2에서는 침전 AgCl이 d-NH4OH에 다시 이온으로 분리 되었다가 HNO3을 넣으니 다시 AgCl침전물을 형성함을 실험과 (식2), (식3)에서도 확인 할 수 있다.

시험관 3,4와 시험관 5,6에는 모두 Pb(NO3)2 + 2HCl → PbCl2 + 2HNO3 (식4)의 하얀색 침전이 생기는데 시험관 3,4는 시험관 5,6에 비해 앙금생성이 빠르게 나타나는걸 육안으로도 볼 수 있었는데 그 이유는 시험관 3,4가 시험관 5,6에 비해 넣어주는 HCl의 농도를 진하게 해주었기 때문이다. 

시험관 3에서는 연습액으로 AgNO3를 넣었을때와 다르게 온수를 넣어주면 침전이 사라지는 것을 관찰 할 수 있는데 (식5)에서 볼 수 있듯이 침전 PbCl2는 온도의 증가에 따라 용해도가 증가하기 때문이다. 시험관 4에서는 결과만 보고 사실 변화가 없다고 생각했었다. 하지만 d-NH4OH에 의해 또 다른 흰 앙금이 생성됨을 (식6)을 보고 알았다.

시험관 5에서는 시험관 3과 비슷한 이유로 뜨거운 물의 첨가에 의해 침전의 용해도가 높아져서 녹았다가 K2CrO4를 가하게 되면 새로운 침전인 PbCrO4 노란색 앙금이 생성된다. 시험관 6에서도 시험관 5와 마찬가지로 온수에 의해 앙금이 녹았다가 새로운 흰 앙금인 PbSO4가 나타나게 되는 것이다.

시험관 7,8,9의 경우 Hg2(NO3)2 + 2HCl → Hg2Cl2↓ + 2HNO3 (식10)의 반응이 공통적으로 일어나게 된다. 그리하여 흰색 침전인 Hg2Cl2가 생기는데 이 앙금으로 시험관 7에서는 온수를 넣어주어 Hg2Cl2앙금도 온도의 증가에 따라 용해도가 증가하는 것을 알 수 있다. 시험관 8에서는 d-NH4OH를 넣어주는데 그렇게 되면 색이 흰색에서 검정색정도로 검게 변하게 된다. 그 이유는 Hg2Cl2가 d-NH4OH와의 반응으로 Hg(NH2)Cl↓ + Hg(l)으로 아주 작은 크기의 수은이 생성되기 때문이다. 그렇기 때문에 아주 적은 양의 검정 침전을 볼 수 있고 칼로멜이라는 이름은 이 반응에 의해 지어진 것이라고 한다. 

시험관 9에서는 c-HNO3를 넣었더니 앙금이 녹는 걸 관찰했는데 (식12)를 보면 알 수 있듯이 있던 앙금이 녹은 것이 아니고 HgCl2의 앙금을 얻게 되지만 용해도가 크기 때문에 물에 녹아 앙금의 생성을 관찰하지 못한 것이다.

시험관 10,11,12는 원심분리기를 이용하지 않은 실험 이었다. 시험관 10에서는 황토색의 침전이 아니고 용액의 색이 변한다는 느낌을 받았는데 AgNO3 + 2NH4OH → Ag(NH3)2+ + 2H2O + NO- (식13)을 보니 침전이 안생기고 색이 변한다는 것을 알 수 있었다.

시험관 11에서는 2AgNO3 + K2CrO4 → AgCrO4↓ + 2KNO3 (식14)을 보듯이 AgCrO4의 적갈색의 앙금이 침전되었다. 마지막으로 시험관 12에서는 2AgNO3 + K4Fe(CN)6 → K2AgFe(CN)6↓ + 2KNO3 (식15)으로도 K2AgFe(CN)6 때문에 흰색의 침전이 생김을 알 수 있다.

이렇게 시험관에서 일어난 반응을 화학 반응식과 연결 지어 생각해보니 실험 할 땐 이해가 안 갔던 반응이 이해가 갔다. 그리고 마지막에 반응이 완결된 시험관들을 관찰 했을 때 흰색의 앙금이 많았는데 자세히 앙금을 살펴보면 모양이 다 제각각 인 것이 신기했다. 그 이유는 정말 간단히도 그 흰 앙금들이 모두 같은 것이 아니고 모두 다른 것이기 때문이었다.

 

2. 양이온 제1족의 계통분석

시험관	관 찰
13	첫 번째 원심분리 한 후 흰색 앙금이 생기고 다시 원심분리하고 6M-NH4OH를 넣주면 검정색 앙금이 생성된다. 세 번째 원심분리를 마치면 흑색앙금을 관찰할 수 있다.
14	흰색 침전을 관찰할 수 있다.
15	황색비슷한 주황색 침전을 관찰 할 수 있다.
16	흰색 침전을 관찰 할 수 있다.

 

이 실험이야 말로 우리가 위에서 했던 각개반응을 했던 목적이 되는 실험 이다. 앞서서 각개반응을 통하여 이온별로 무슨 반응이 일어나는지 그 특징들을 알고 나서 비록 무슨용액을 넣는지 알고 실험했지만 미지시료로 가정했을 때에도 이온들을 분리해 낼 수 있다.

3가지의 연습액을 넣고 원심분리를 하고 HCl로 세척을 했는데 세척을 하는 이유는 용액에서 우리가 원하는 앙금이 아닌 다른 앙금의 생성을 방지하기 위해 액성을 산성으로 만들기 위해 사용한 것이다. 즉, 다시 말해서 양이온 제1족 원소들 중 Ag+는 염기성 용액에서는 착이온을 형성하여 침전하지 않고 물에 녹아버리게 되므로 육안으로 관찰하기 위해 HCl을 넣어주는 것이다. 이 때 세척하기 위해 넣어주는 염산을 마스킹제 라고한다. 

하지만 본 실험에선 1족만 넣었기 때문에 꼭 안 해주어도 된다고 한다. 물로 세척을 하는 이유는 침전을 다른 양이온과 분리하기 위해 하는 건데 이것도 우리는 미리 1족만 넣었다는 것을 알고 있기 때문에 꼭 안 해 주어도 된다.

그 다음 원심 분리를 하고 상징액을 따라버리면 흰색침전이 생성되는데 이 침전 속에는 AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 앙금이 모두 섞여있을 것이다. 이걸로 끝난 것이 아니고 다시 이 침전물들을 온수를 넣으면 PbCl2가 녹는다는 것을 위의 각개반응을 통하여 알고 잇을 것이다. 그리고 나서 원심분리하면침전물에 남은 앙금은 PbCl2가 빠지고 AgCl, Hg2Cl2의 앙금이 섞여있을 것이다. 그리고 나서 2분할한 상징액에 H2SO4와 K2CrO4를 넣고 각각의 침전의 색을 관찰하면 Pb2+이온이 들어있는 것을 확신할 수 있다.

다시 원심분리하고 남은 잔사에 NH4OH를 넣으면 검정색 침전이 나타남을 관찰 할 수 있는데 그 침전에는 Hg22+가 존재함을 알 수 있다. 다른 상징액에는 c-HNO3를 넣어 흰색침전을 관측하여 Ag+이온이 들어있음을 확신할 수 있다. 이렇게 각개반응을 잘 숙지하고 있다면 모르는 시료용액에서 어떤 용액을 분리해 내거나 무엇이 들어있는지 알 수 있는 것은 쉽다.

3. 양이온 제3족의 각개반응

시험관	관찰 내용	반응식
1	침전이 위에 떠 있고 흑갈색 같은 침전으로 상층액과 분리 되어있다.  6M-NaOH을 10방울 정도 넣고 흔들어 보니 앙금이 녹았다.	Fe(NO3)3 + 3NH4OH → Fe(OH)3↓ + 2NH4NO3 (식16) Fe(OH)3↓ + NaOH → Fe(OH)4- ⇆ FeO2- + 2H2O (식17)
2	침전이 위에 떠 있고 흑갈색 같은 침전으로 상층액과 분리 되어있다.  3M-HCl을 넣어주어도 변화가 없고 앙금이 녹지도 않았다.	Fe(NO3)3 + 3NH4Cl ⇆ FeCl3 + NH4NO3 (식18) FeCl3 + 3NH4OH ⇆ Fe(OH)3↓ + 3NH4Cl (식19) Fe(OH)3↓ + 3HCl→Fe3+ + H2O+3Cl- (식20)
3	와인같은 붉은색으로 용액 색이 변하였다.	4Fe3+ + 3Fe(CN)64- → Fe4[Fe(CN)6]3 (식21)
4	진한남색으로 용액 색이 변하였다.	Fe3+ + Fe(CN)63- → Fe[Fe(CN)6] (식22)
5	우유같은 침전물이 위에 떠 있다. 6M-NaOH를 넣어 주니 3방울부터 앙금이 녹기 시작하였고 5방울 정도 넣으니 투명용액으로 변하였다.	Al(NO3)3 + 3NH4Cl → AlCl3 + 3NH4NO3 (식23) AlCl3 + 3NH4OH → Al(OH)3↓ + 3NH4Cl (식24) Al(OH)3↓ + OH- → AlO2- + 2H2O (식25)
6	우유같은 침전물이 위에 떠 있다. 6M-HCl을 넣어 주니 2방울 정도부터 투명해졌다.	Al(OH)3↓ + 3H+ → Al3+ + 3H2O (식26)

7	전체적으로 뿌옇게 변했는데 위에가 살짝 핑크빛을 띄는것이 시험관 5,6과의 차이점이다.	Al(NO3)3 +3NH4Cl → AlCl3 +3NH4NO3 (식27) AlCl3 +3NH4OH → Al(OH)3↓ + 3NH4Cl Al(OH)3↓(식28)
8	쑥색 같은 침전물이 밑에 생겼다. 전체적으로 불투명하다는 느낌이다. 6M-NaOH를 과량 넣으니 좀 녹는것같아서 가열하였는데 변화가 없었다.	Cr(NO3)3 + 3NH4Cl→CrCl3 +3H2O (식29) CrCl3 +3NH4OH → Cr(OH)3↓ + 3NH4Cl (식30) Cr(OH)3↓ +OH- → Cr(OH)4- ⇆ CrO2- + 2H2O (식31)
9	쑥색 같은 침전물이 밑에 생겼다. 전체적으로 불투명하다는 느낌이다. 6M-NH4OH를 과량 넣으니 앙금이 녹지 않았고 변화가 없었다.	Cr(OH)3↓ +OH- → CrO2- + 2H2O (식32)
10	쑥색같은 침전물이 밑에 생겼다. 전체적으로 불투명하다는 느낌이다. 3M-HCl를 16방울 넣어준 녹았다.	Cr(OH)3↓ +HCl → CrCl3 +3H2O (식33)
11	시험관 4와 비슷한데 더 연하다. PbNO3를 넣어줘도 변화가 없었다.	Cr(NO3)3 + 3NH4OH → Cr(OH)3↓ + 3NaNO3 (식34) Cr(OH)3↓ + OH- → Cr(OH)4- ⇆ CrO2- + 2H2O (식35) 2Cr(OH)4- + 3H2O2 +2OH- → 2CrO42- + 8H2O (식36) CrO42- + Pb2+ → PbCrO4↓ (식37)

 

양이온 제3족에서도 제1족과 마찬가지로 여러 분족 시약으로 각개반응을 할 수 있었다. 양이온 제2족보다도 제3족의 황화물은 잘 녹는다고 한다.

시험관 1에서는 Fe(OH)3의 흑갈색 앙금이 생겼고 이 앙금은 NaOH에 녹는 것을 알 수 있다. 이러한 수산화물은 Al(OH)3와 달리 양쪽성이 아니라 강염기 용액에서도 침전이 되는 것이다. 시험관2에서 NH4Cl을 넣어준 이유는 FeCl3를 만들어 Fe(OH)3의 앙금을 만들어주기 위해서이다. 시험관 1과는 다른 방법으로 만들었다. 이것은 HCl에서 이 앙금이 양쪽서이 아니라는 것을 확실히 보여준다. 그 이유는 강산에서는 침전이 안 되기 때문이다.

시험관 3과 4에서는 Fe(CN)62-와 Fe(CN)63- 인지에 따라서 용액색이 변하는걸 관찰할 수 있었다. 시험관 5와 6에서는 위에서 말한 수산화물 Al(OH)3가 양쪽성이라는것을 보여주는데 그 이유는 NaOH, HCl 둘 다에서 앙금이 녹은 것을 관찰했기 때문이다.

시험관 7에서 Al(OH)3 침전과는 다르게 핑크색 침전이 눈에 띄었다. 이는 Aluminone을 넣어서 생긴 침전이라고 추측 할 수 있는데 이는 실제 실험에서 시료중의 알루미늄을 확인 하기위하여 젤라틴모양의 수산화물을 물에 녹인 침전의 Aluminone시약을 가하여 쓰이고 있다. 원리는 Aluminone시약이 Al(OH)3에 붙어서 생기는 lake때문이라고 한다.

시험관 8, 9, 10을 통하여 식 29, 30을 보면 알 수 있듯이 침전물 Cr(OH)3를 만들었다면 이 앙금은 NaOH, NH4OH에 의해 녹지만 HCl에 의해서는 CrCl3이 생성 되 안 녹는다는 것을 알 수 있다. 하지만 우리 실험결과는 반대로 나왔는데 그 이유는 정성분석이기 때문에 사실 육안으로 관찰해야 하는데 이를 제대로 자세히 관찰을 못한 것 같다.

마지막으로 시험관 11에서는 H2O2를 넣어 줬는데 그 이유는 Cr(Ⅲ)가 CrO42-로 산화가 되어 용액 속에 녹아있게 되기 때문이다.

4. 음이온의 각개반응

시험관	관찰내용	반응식
1	변화가 없다.	K2CrO4 + Ba(NO3)2 → KNO3 + BaCrO4↓ (식38)
2	K2CrO4를 몇 방울 넣어주면 처음엔 남색 색소가 내려오더니 기포가 발생하면서 초록색으로 변하였다. 투명색 층과 초록색 층으로 나뉘어지고 몇 방울 더 넣어주자 초록색과 파란색 층으로 분리 되었다. 흔들어주니 파란색 층이 없어지고 초록색 층과 투명색 층이 생겼다.
3	흰색침전이 생겼다.	AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NANO3 (식39)
4	변화 없다.	2NaCl + Pb(OAc)2→ 2NaOAc + PbCl2 (식40)
5	갈색 침전이 생겼다.	KMnO4 + NaCl → KCl + NaMnO4↓ (식41)
6	자주색으로 변하였는데 묽은 황산을 넣어주자 기포가 발생하였다.
7	d-NH4OH를 열 방울 정도 넣으니까 앙금이 조금씩 녹기 시작했다. d-HNO3를 가하니 우유처럼 용액이 변했다. 시간이 지난 후 앙금의 색이 약간 회색빛을 띄는 입자가 고운 앙금으로 변했다.

 

음이온의 각개반응에서 시험관 1을 살펴보면 실험 할 때는 분명히 앙금을 보지 못했고 실험 책에도 원심분리 하라고 나와 있지 않아서 앙금이 안 나오는 반응이라고 생각했는데 반응식을 보면 BaCrO4의 앙금이 침전이 되어야 한다. 실험할 때 관찰하지 못한 이유는 노란색 시약을 넣어서 노란색이 돼서 앙금이 생기지 않았다고 생각 한것같다.

시험관 2에서 시험관을 흔들어 주었을 때 물 층이 많이 생기면 안되는데 우리조의 시험관은 물층이 많이 생겼다 그 이유는 실험이 잘못 됐다기 보다 H2O2와 묽은 황산 ether의 양을 많이 해서 비교적 물 층이 많이 나왔다고 생각한다.

시험관 3,4,5는 양이온반응의 역반응이라고 생각하면 편하다. 시험관 4에서는 불투명할 액체일 뿐 침전은 없었는데 이는 다음 반응식을 통해 알 수 있듯, PbCl2의 앙금이 생성 되 물에 녹아 안 보이는 것으로 생각된다.

시험관 5에서는 사실 과망간산나트륨이 침전되어 자주색정도의 앙금이 침전되어야 하지만 갈색 침전이 생겼다. 이는 실험의 끝마무리에서 실험하여 여러 용액들이 우리가 만든 시약과 섞여 잘못 나왔다. 그리고 실험이 잘되었다 하더라도 침전은 보기 힘들었을 텐데 그 이유는 조해성이 있기 때문이다.

 

실험과정에서 주의 할 점은 원심분리기를 사용하였는데 원심분리기는 매우 세밀한 장치이기 때문에 사용방법을 잘 알고 사용해야한다. 먼저 설치를 할 때는 온도가 매우 낮거나 높은 곳은 피해야한다. 그리고 바닥이 고르고 깨끗한 장소로 벽에서 30cm정도 떨어진 곳에 설치한다. 그리고 사용 시에는 원심분리기의 균형을 잘 맞춰 주어야 한다. 원심분리기의 균형을 맞힌다는 것은 시료를 넣었을 때 반대쪽에도 비슷한 무게의 시료나 물을 넣어주어야 회전시 안전하다. 

균형시 시료가 밖으로 나올수 있어 위험물일 경우 실험중 사고가 날수도 있기 때문에 사용법의 숙지가 필요하다. 그리고 원심분리과정이 제대로 이루어지지 않으면 이온의 분리 및 검출이 원하는 대로 이루어지지 않을 수 있다. 그리고 본 실험에서는 많은 시약이 쓰였는데 이때 시험관이나 피펫, 비커, 플라스크 등은 사용한 후에 깨끗하게 씻어 다시 사용하여야 실험에 나타날 수 있는 오차를 최소화 할 수 있다. 정성분석의 경우는 이물질이 들어갈 경우 원하는 실험결과를 얻지 못할 수도 있기 때문이다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

양이온 및 음이온의 정성분석을 통해 양이온 제1족, 제3족의 각개반응으로 각각의 이온들의 특징과 반응들을 알고 이를 토대로 양이온 제1족의 계통분석까지 해보았다. 비록 양이온 제3족의 계통분석은 해보지 않았지만 각개반응을 해보았기 때문에 양이온 제1족과 제3족이 섞여 있는 시료 용액도 계통분석으로 어떤 시료가 들어있는지 알 수 있게 되었다. 

음이온은 계통분석을 잘 하지 않는다. 그 이유는 실험에서 했듯이 양이온과는 다르게 음이온은 아주 소량으로 실험하고 서로 섞여 있으면 휘발되거나 서로 반응하여 그 자기만의 특징을 쉽게 잃어버리기 때문에 침전이 잘 생성되지 않을 수도 있어 대부분 음이온의 계통분석은 생략하게 된다. 또한 분석화학의 일부분인 정성분석의 의미를 제대로 파악하였고 그 용도까지도 알 수 있었다. 더불어 정량분석과의 차이점도 이해할 수 있다.

참고 문헌

1. 일반화학실험의 기본, 정용순 외, 형설출판사, 2003년

2. 분석화학의 기본개념, 황훈 외, 자유아카데미, 2002

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