[화학공학실험]황산구리의 제조 2부

실험 방법

1. 실험 과정

1) 구리에서 질산구리 수용액의 제조

Cu 5g에 60% HNO3 25㎖를 가하고 필요에 따라 가열하면서 용해시킨다. 무색의 NO와 갈색 NO2가스 (유독가스)가 발생하므로 통풍실내에서 행한다.

3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O (산에 대한 용해, 발열반응)

 

※ 주의 사항

무색의 유독가스인 NO와 갈색 NO2가스가 발생하므로 통풍실(Draft)내에서 행한다. 질산과 구리가 반응하여 발열반응이 일어나므로 주의해야 한다. 질산구리 수용액 제조시 한번에 많은 양을 넣지 말고, 제조시 유독 가스가 나오므로 꼭 통풍실에서 제조해야 한다.

 

 

2) 질산구리 수용액에서 염기성 탄산구리의 제조

질산구리 수용액에 탄산나트륨의 뜨거운 용액(탄산나트륨 50g을 물 100㎖에 녹이고 가열한 수용액)을 조금씩 가하여 염기성 탄산구리의 침전을 생성시킨다. 이 때 뜨거운 용액을 과잉으로 가해서는 안되며, 침전을 aspirator로 침전을 흡입여과하여 더운물로 수회 세척한다. 염기성 탄산구리는 Cu(OH)2․CuCO3의 조성을 갖는다.

2Cu(NO3)2·H2O+NaCO3·10H2O→ CuCO3 ·Cu(OH)2 (침전반응)

 

※ 주의사항

탄산나트륨의 뜨거운 용액을 가할때 주의한다.

 

3) 염기성 탄산구리에서 황산구리 결정의 제조

황산 5㎖를 H2O 100㎖에 희석한 용액을 가열하면서 이것에 제조한 염기성 탄산구리를 소량씩 풀어 용해시킨다. 만일, 전부 용해하지 않으면 황산수용액을 몇 방울 가하되 과잉으로 첨가해서는 안된다.

용해가 끝나면 액을 여과하고 증발접시에 옮겨 물중탕 상에서 가열 농축한다. 이것을 농축하여 생성된 조품을 여과하여 황산 약산성의 열탕에서 재결정시킨다. 즉, 증발접시의 둘레에 소량의 결정이 석출하는 정도까지 농축하고 방냉한다.

이때 주의해야 할점은 염기성 탄산구리를 한꺼번에 너무 많이 넣으면 거품이 발생하면서 넘칠 위험이 있으므로 소량씩 넣는다. 용해가 끝나면 용액을 여과하고 증발접시에 옮겨 2시간동안 방냉한다.

CuCO3·Cu(OH)2 + 2H2SO4 → 2CuSO4 + CO2 + 3H2O (중화반응)

 

※ 주의 사항

황산에 희석한 용액을 가열하면서 염기성 탄산구리를 용해시킬 때에는 유리막대로 저어준다. 염기성 탄산구리 제조시 뜨거운 용액(탄산나트륨 50g을 물 100㎖에 녹이고 가열한 수용액)을 과잉으로 가해서는 안되며 침전을 흡입여과하여 수회 세척해야 보다 좋은 결과를 얻을 수 있다.

 

주의 사항

1. 제품에 명시된 모든 경고와 주의사항을 숙지할 것

2. 손, 눈 보호:보호 장갑, 보안경을 착용한다.

3. 증기, 안개, 기체를 마시지 말고 눈, 피부, 옷에 접촉되지 않도록 할 것

4. 밀폐된 용기 안에서 건조하고 환기가 잘 되는 곳에 보관할 것

5. 피해야 할 조건 및 물질:고온, 공기노출, 분말 금속, 스틸

6. 분해 시 생성되는 유해물질:황산화물, 구리산화물 유의할 것

 

실험 결과

1. 제조한 황산구리의 수율

전체 실험과정의 실험식은 다음과 같다.

3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

2Cu(NO3)2·H2O + NaCO3·10H2O → CuCO3·Cu(OH)2

CuCO3·Cu(OH)2 + 2H2SO4 → 2CuSO4 + CO2 + 3H2O

 

실험목적인 황산구리의 이론적 생성량을 살펴보면,

알짜 이온반응식 : Cu2+ + SO42- → CuSO4

원자량: Cu=63.55g/㏖, S=32.06g/㏖, O=16.00g/㏖

실험시 사용되는 5g Cu의 몰수는 다음과 같다.

5g Cu = 5g×(1㏖/63.55g) = 0.079㏖

Cu2+ 1몰당 SO42- 1몰이 반응하여, CuSO4 1몰을 생성한다.

따라서 Cu2+= 0.079㏖, SO42- = 0.079㏖, CuSO4 = 0.079㏖

CuSO4의 몰질량은 159.61g/㏖이므로, 이론적으로 생성되어야 할 황산구리의 양은 0.079㏖×159.81g/㏖ = 12.61g 이다.

실제 황산구리 생성량 : 10.0g

 

%수율 : (실험값/이론값)×100 % = (10.0g/12.61g)×100% = 79.30%

 

2. 황산구리 결정의 일부를 도가니에 취하고 서서히 가열하고 서서히 냉각시키면서, 물을 몇 방울 가하여 색의 변화를 검토하여 보아라. 그 이유를 설명하여라.

실험을 직접 해보지 않았기에 예상을 해보자면 흰색으로 변하면서 가루가 될 것이다. 황산구리 결정은 푸른색을 띄고, 물과 결합한 5수화물황산구리도 푸른색으로 보일 것이다.

이것을 서서히 가열하면 황산구리 결정과 결합하던 물 분자가 빠져나가서 흰색의 황산구리 무수물이 되며 가루가 되는 이유는, 결정에 포함되어 있는 물이 빠져나가면서 결정의 구조가 무너지기 때문이다.

이후에 물을 가하면 다시 황산구리 5수화물이 되면서 푸른색이 될 것이라고 생각한다.

 

3. 황산구리 결정을 취하여 삼각플라스크에 넣고 물 100㎖에 녹여서 10% NH4OH 수용액 6㎖를 가한 후 알코올 10㎖를 넣고 방치하면 무엇이 석출하는가?

황산구리와 암모니아수가 반응하면 다음과 같은 반응식을 보인다.

CuSO4(aq) + 2NH4OH(aq) → Cu(OH)2(s) + (NH4)2SO4(aq)

Cu(OH)2 : 2가 수산화구리, 푸른색의 가루 또는 결정이다.

(NH4)2SO4 : 황산암모늄, 무색을 띈다.

이 상태에서 계속 암모니아를 넣어주면 다음과 같은 반응식을 보인다.

CuSO4(aq) + 2NH4OH(aq) → [Cu(NH3)2]SO4(s) + 2H2O(l)

이러한 반응으로 암모니아 착염 청색([Cu(NH3)2]SO4(s))이 석출된다.

 

4. 황산구리-물의 상평형

이 그래프는 온도에 따른 용해도 변화를 나타낸 황산구리의 용해도 곡선이다. 황산구리의 용해도는 물 100g에 최대로 녹을 수 있는 황산구리의 질량(g)을 나타낸 것이다. 용해도 곡선에서 온도가 높아질수록 황산구리의 용해도가 높아지므로 물의 온도가 높을수록 녹을 수 있는 황산구리의 양은 많아지는 것을 알 수 있다.

황산구리가 물에 용해되려면 황산구리의 표면으로부터 황산구리 분자들이 떨어져 나와 물 분자 사이로 섞여 들어가야 한다. 이렇게 되기 위해서는 에너지가 필요하므로 황산구리를 용해시킬 때 열에너지를 공급하여 온도를 높여 주어야 한다. 이때 온도가 높을수록 공급되는 열에너지가 커지므로 온도가 높아질수록 녹을 수 있는 황산구리의 양은 더 많아지게 된다고 할 수 있다.

 

5. 황산구리의 용도

황산구리의 반응성을 통해 수용액의 금속을 석출하는데 쓰이고 황산구리 무수물의 경우 유기화합물의 건조제로도 쓰인다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험의 목적은 황산구리 5수화물을 만드는데 있다. 본 실험은 다른 실험에 비해 냄새도 많이 나고 위험한 화합물을 다루는 실험이기 때문에 보다 더 조심스럽게 실험에 임했다. 우선, 구리에서 질산구리 수용액의 제조인데 이 반응은 무색의 NO와 갈색 NO2가스 (유독가스)가 나기 때문에 통풍이 잘되는 곳에서 이루어졌으며, 발열반응이 이루어지기 때문에 조금씩 구리 5g에 질산을 부었다.

 

질산구리 수용액이 다 만들어지면 여기에 탄산나트륨의 뜨거운 용액(탄산나트륨 50g을 물 100㎖에 녹이고 가열한 수용액)을 조금씩 가하여 푸른빛이 도는 수용액을 만들었다. 여기서도 역시 가해주는 양은 조금씩 해야했다. 그런데 한꺼번에 많은 양을 부어서 거품이 생기기도 했다. 그런데 다른 조까지 잘 되던 여과기(자동 흡입여과 장치인 aspirator라는 기계)가 우리조가 실험을 할 때 기계가 고장이 나서 유리막대를 들고 수작업으로 흡입여과하고 더운물로 세척을 했다.

 

구멍이 뚫린 사발에 거름종이를 깔고 액체를 부으면서 유리막대로 저어 주었다. 저어주다 보니 이러다가 거름종이가 구멍이 나겠다는 생각이 들었다. 종이다 보니 물이 흡수되서 세게 저으면 안될 것 같아서 조심스럽게 저었다. 여기서 세척을 깨끗이 해야 보다 더 좋은 결정을 얻을 수 있다고 했다. 그러다 보니 조금 더 시간이 걸렸던 것 같다. 그리고 황산구리 수용액을 가열기에 놓고 2시간 정도 가열하면서 건조를 시켜 우리가 얻고자 하는 푸른색의 황산구리 5수화물의 결정을 얻을 수 있었다.

 

보다 더 높은 수율을 얻기 위해 비커에 있는 결정을 최대한 긁어야 했던 것 같다. 우리조의 수득률이 79.3%가 나온 이유는 여과기를 사용하지 못했던 것과, 거름종이에 남아있는 것들을 깨끗이 세척하지 못하고 버린 것에 있다고 생각한다. 여과기가 있었더라면 더 놓은 수득률을 낼 수 있지 않았을까 하는 생각이 든다.

 

참고 문헌

1. amburkes, Microsoft Power Point presentation used to teach the five types of chemical reactions to Chemistry I Honors, p.7, 2019.09.24.,

2. principle of Chemical process, Richard M. Felder, p119 ～200

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