소개글
"이온세기효과"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
1.2. 실험 원리
1.2.1. 평형 상태와 평형 상수
1.2.2. 활동도와 활동도계수
1.2.3. 용해도
1.2.4. 이온세기와 Debye-Huckel 이론
1.2.5. 평균 활동도 계수
1.2.6. 평형상수의 결정
1.3. 실험 시약
1.3.1. 아세트산 은
1.3.2. 질산나트륨
1.3.3. 질산
1.3.4. 싸이오사이안산칼륨
1.3.5. 철백반용액
1.4. 실험 방법
2. 실험 결과
2.1. 실험 데이터 처리
2.2. 이온세기에 따른 용해도 변화
2.3. 이온세기에 따른 활동도계수 변화
3. 결과 고찰
3.1. 이온세기 증가에 따른 용해도 증가
3.2. 이온세기 증가에 따른 활동도계수 감소
3.3. 실험값과 이론값의 차이
4. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
이 실험의 목적은 수용액에서 염의 용해도가 달라지는 이유를 알아보고, 특히 이온세기 효과가 용해도에 미치는 영향을 알아보는 것이다. 또한 이온세기와 용해도를 이용하여 열역학적 평형상수를 구하고, 측정된 용해도로부터 활동도 계수를 구해보는 것이다.
이 실험을 통해 이온세기의 변화에 따라 용해도와 활동도 계수가 어떻게 변화하는지 확인할 수 있다. 수용액 내 이온의 농도가 달라짐에 따라 용질의 용해도와 활동도 계수가 달라지는 현상을 실험적으로 관찰하고, 이를 이론적으로 설명할 수 있다. 이를 통해 수용액 내 이온의 거동과 이온간 상호작용에 대한 이해를 깊이 있게 할 수 있을 것이다.
1.2. 실험 원리
1.2.1. 평형 상태와 평형 상수
평형 상태란 정반응과 역반응의 속도가 서로 같아지는 상태를 의미한다. 이 때 화학 반응에 관여하는 물질들의 농도는 더 이상 변화하지 않는다. 평형 상태에 도달하면 거시적으로는 더 이상의 반응이 일어나지 않는 것처럼 보이지만, 실제로는 정반응과 역반응이 지속적으로 일어나고 있다.
평형 상수(K)는 화학 평형 상태에서 반응물과 생성물의 농도비를 나타내는 값이다. 화학 반응식 aA + bB ⇌ cC + dD 에서 평형 상수 K는 다음과 같이 정의된다:
K = [C]^c * [D]^d / ([A]^a * [B]^b)
여기서 [C], [D], [A], [B]는 각 화학 물질의 평형 농도를 나타낸다. 평형 상수 K는 해당 화학 반응의 특성을 나타내는 고유한 값으로, 온도에 따라 변화한다.
평형 상태에 도달하면 순 반응 속도가 0이 되므로, 정반응 속도와 역반응 속도가 같아진다. 이때 정반응 속도와 역반응 속도의 비는 평형 상수 K와 같다. 따라서 평형 상수 K를 통해 정반응과 역반응의 상대적인 진행 정도를 알 수 있다.
평형 상태가 아닐 때에는 반응 지수 Q를 사용하여 반응의 진행 방향을 예측할 수 있다. 반응 지수 Q는 실제 농도비를 나타내며, Q > K이면 정반응 방향으로, Q < K이면 역반응 방향으로 반응이 진행된다.
1.2.2. 활동도와 활동도계수
활동도와 활동도계수는 실제 용액의 거동이 이상용액에서 벗어나는 정도를 나타내는 개념이다. 활동도는 용액 내 용질의 실제 농도를 반영하는 값으로, 이상용액에서의 몰분율에 활동도계수를 곱하여 계산할 수 있다. 활동도계수는 용액이 이상용액에서 벗어나는 정도를 나타내는 무차원 값이다.
이상용액에서는 용질과 용매 사이의 상호작용이 없어 용질의 활동도가 농도에 비례하지만, 실제 용액에서는 용질 간의 상호작용과 용질-용매 간의 상호작용으로 인해 활동도가 농도에 비례하지 않는다. 따라서 활동도계수를 이용하여 실제 용액의 거동을 나타낼 수 있다.
활동도계수는 용액의 이온세기에 크게 영향을 받는데, 이온세기가 증가할수록 활동도계수가 감소한다. 이는 이온세기 증가에 따라 용질 간의 전기적 상호작용이 증가하여 용질이 안정화되기 때문이다. 데바이-휘켈 이론에 따르면 활동도계수의 로그값은 이온세기의 제곱근에 비례하여 감소한다.
그러나 데바이-휘켈 극한 이론은 이온세기가 매우 낮은 경우에만 적용 가능하며, 실제로는 이온세기가 증가함에 따라 활동도계수가 다시 증가하는 현상을 설명하지 못한다. 따라서 이온 크기와 용매와의 상호작용까지 고려한 확장된 데바이-휘켈 이론 또는 로빈슨-스톡스 식을 활용해야 실제 용액의 활동도계수를 더 정확히 예측할 수 있다.
1.2.3. 용해도
용해도는 용질이 용매에 녹아 용액을 형성할 때 용질의 특성을 나타낸 것이다. 물질이 주어진 온도에서 정해진 부피의 용매에 용해되어 평형을 이룰 수 있는 최대 양으로 정의된다. 용해도는 용질의 특성과 온도, 압력에 의존한다.
실험에서는 농도가 다른 5개의 AgAc 포화용액을 제조하고, KSCN 표준용액으로 적정하여 은 이온의 양을 구했다. 구한 은 이온의 양을 통해 이온세기를 계산하고, Debye-Hückel 이론을 적용하여 평형상수와 평균 활동도계수를 구했다.
그 결과, 질산나트륨의 농도가 증가할수록 용해도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 해리되는 아세트산 은의 은 이온(Ag+)과 아세트 이온(Ac-) 주변을 질산나트륨의 이온(Na+, NO3-)이 둘러싸는 이온분위기가 형성되어, 전체 반응 Ag+ + Ac- ⇌ AgAc에서 역반응이 덜 일어나기 때문이다. 즉, 이온세기가 증가하면 용해도가 증가한다는 것을 알 수 있다.
이러한 용해도 증가는 이온세기에 따라 활동도계수가 감소하는 경향성과도 관련이 있다. 이온세기가 증가하면 데바이 길이가 감소하고, 양이온과 음이온 간의 거리가 가까워져 정전기적 인력이 증가하므로 이온의 안정성이 높아져 활동도계수가 감소하게 된다.
1.2.4. 이온세기와 Debye-Huckel 이론
이온세기는 용액 내 모든 이온의 농도와 전하에 의해 영향을 받는다. 이온세기(I)는 다음 식으로 계산할 수 있다:
I = 1/2 Σ ci zi^2
여기서 ci는 i번째 이온의 농도, ...
참고 자료
김성규, 물리화학실험, 대한 화학회, p99-105
Martin Silberberg, Principle Of General Chemistry, Mc Graw Hill, p201~211
Wikepedia, “Volhard method”, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%81%EA%B7%9C%EC%B9%99, (2020.11.28)
오승모, 전기화학 제 3판, 자유아카데미, p67~78
물리화학실험, 대한화학회, 김성규, 2014, p.92-95
전기화학, 자유아카데미, 오승모, 2020, p.65-68
화학대사전, 폴하르트 적정 (https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2318603&cid=60227&categoryId=60227)
안전보건공단 화학물질정보 MSDS (https://msds.kosha.or.kr/kcic/msdssearchMsds.do)
대한화학회, 물리화학실험, 청문각, pp. 92~95
https://www.sigmaaldrich.com/korea.html
화학백과 : 평형상수 (https://terms.naver.com/평형상수)
화학백과 : 활동도 (https://terms.naver.com/활동도)
화학대사전 : 활동도 계수 (https://terms.naver.com/활동도 계수)
화학백과 : 용해도 (https://terms.naver.com/용해도)
