a bag of mostly water - star trek -...

수용액 평형의 다른 관점 17

A bag of mostly water - Star Trek -

공통 이온 효과

이제까지는 산과(또는) 염기를 가지는 용액의 평형을 살펴보았음. 약산(또는 약염기)와 그 짝염기(또는 짝산)을 가지는 용액에서는 평형이 어떻게 될까?

CH3COOH (Ka=1.8 x 10-5)와 CH3COONa를 포함하는 용액

CH3COOH(aq) → H+(aq)+CH3COO-(aq) ←

CH3COONa(s) → Na+(aq)+CH3COO-(aq) H2O(l)

←

CH3COO- from CH3COONa Equlibrium (less acidic)

common ion

공통이온효과(Common ion effect): 평형 용액에 이미 존재하는 이온을 더 첨가했을 때 나타나는 평형의 이동 => 약전해질과 공통 이온을 포함하고 있는 강전해질이 용액 속에 같이 있을 때, 약전해질이 홀로 있을 때보다 이온화는 감소하는 효과

CH3COOH(aq) → H+(aq)+CH3COO-(aq)


Ex) 아세트산 (CH3COOH) 0.30 mol과 아세트산 소듐 (CH3COONa) 0.30 mol을 섞고 물을 충분히 첨가하여 1.0 L가 되도록 만든 용액의 pH는 얼마인가?

* 아세트산 (CH3COOH) 0.30 M 용액의 pH = 2.64


Ex) 0.20 mol HF와 0.10 mol HCl을 함유하는 1.00 L 용액의 플루오린화 이온 농도와 pH를 계산하시오.

완충 용액

완충 용액(Buffer solution): H+ 또는 OH-를 더했을 때 pH 변화에 저항하는 용액. (공통 이온 효과를 이용하여 제조) (약한 짝산-짝염기 쌍을 포함하는 용액)

완충 용액 조성과 작용

약산(HA)과 짝염기(A-)를 포함하는 용액의 pH

초기 [HA]0 0 [A-]0 변화 -x x x 평형 [HA]0-x x [A-]0+x

0

0

0

0

0

0

][][][

][)]([

][)]([

][]][[

−+

−−−+

==

≈++

==

AHAKHx

HAAx

xHAxAx

HAAHK

abuffer

a

0

0

][][

][][][ −−

+ ≈=AHAK

AHAKH aabuffer *[HX]0 와 [X-]0 는 충분히 진한 농도

HA(aq) A-(aq) ][

]][[HA

AHKa

−+

=

완충 용액 완충 용액 조성과 작용

완충 용액의 작동 원리

OH- 첨가

0

0

][][][ −

+ ≈AHAKH abuffer

0

0

0

0

][][

][][][][][ −−−

−+ ≈

+−

=AHAK

OHAOHHAKH a

added

addeda

최종 pH ≈ 처음 pH

OH- 첨가

첨가된 OH- 는 A-로 바뀜 (OH- + HA → H2O + A- :완결 반응)

완충 용액의pH (HA, A-)

bufferHH ][][ ++ ≈

HA → H+ + A- ←

*[HX]0 와 [X-]0 는 충분히 진한 농도


완충 용액의 작동 원리 *[HX]0 와 [X-]0 는 충분히 진한 농도

최종 pH ≈ 처음 pH

H+ 첨가

첨가된 H+는 HA로 바뀜 (H+ + A- → HA HA: 약산

A-는 H+에 대해 큰 친화도를 갖는다.)

완충 용액의 pH (HA, A-)

H+ 첨가

0

0

0

0

][][

][][][][][ −+−

++ ≈

−+

=AHAK

HAHHAKH a

added

addeda

HA → H+ + A- ←

0

0

][][][ −

+ ≈AHAKH abuffer bufferHH ][][ ++ ≈


완충 용액의 작동 원리 *[HX]0 와 [X-]0 는 충분히 진한 농도

완충 용액 완충 용액의 pH 계산

)][][log(

acidbasepKpH abuffer +=

Henderson-Hasselbalch equation 완충 용액의 pH는 [약산]과 [약염기]의

비에 의해 결정됨

0

0

][][

][][][ −−

+ ≈=AHAK

AHAKH aabuffer

)][][log(log]log[

][][][

baseacidKH

baseacidKH

abuffer

abuffer

−−=−

=

+

+

Ex) 0.12M 락트산[lactic acid, CH3CH(OH)COOH, 또는 HC3H5O3]과 0.10M 락트산 소듐(sodium lactate, CH3CH(OH)COONa 또는 NaC3H5O3)을 포함하는 완충 용액의 pH를 계산하시오. 락트산의 Ka ＝ 1.4 × 10－4.

[산]=[염기] 일때 pH = pKa

완충 용액 완충 용액에 강산 또는 강염기의 첨가

강산이나 강염기를 첨가할 때 완충 용액의 pH 계산

Stoichiometry calculation Equilibrium calculation

완충 용액 완충 용액에 강산 또는 강염기의 첨가

Ex) 0.300 mol CH3COOH와 0.300 mol CH3COONa를 합쳐 1.000 L가 되도록 물로 묽혀 완충 용액을 만들었다. 완충 용액의 pH ＝ 4.74이다. (a) 4.0 M NaOH 용액 5.0mL를 첨가한 후 이 용액의 pH를 계산하시오. (b) 비교를 위하여, 순수한 물 1.000 L에 4.0 M의 NaOH용액 5.0mL를 첨가한 후 용액의 pH를 계산하시오.

(a) 화학양론적 계산

평형 계산

처음 0.280 mol/1.005L 0 0.320 mol/1.005L 변화 -x x x 평형 ~ 0.280 mol/1.005L x ~0.320 mol/1.005L

(b)

pH 변화 = 0.06 pH 변화 = 5.30

완충 용액 완충 용량과 pH 범위

완충 용량(Buffer capacity) : H+ 또는 OH-를 첨가 했을 때 pH에 큰 변화 없이 완충 용액이 흡수할 수 있는 H+ 또는 OH-의 양

Ex) 0.010 mol HCl(g)을 다음의 용액 1.0 L에 첨가했을 때 pH 변화를 계산하시오. Solution A: 5.00 M CH3COOH (Ka = 1.8 x 10-5)과 5.00 M NaCH3COO Solution B: 0.050 M CH3COOH과 0.050 M NaCH3COO

Solution A

H+(aq) + CH3COO-(aq) → CH3COOH(aq) 처음 0.010 mol 5.00 mol 5.00 mol ( = 5.00 M x 1.0 L) ( = 5.00 M x 1.0 L) 나중 0 mol 4.99 mol 5.01 mol

74.4074.4

)00.500.5log()108.1log(

)][][log(

5

3

3

=+=

+×−=

+=

−

−

COOHCHCOOCHpKpH a

74.40017.074.4

)01.599.4log()108.1log(

)][][log(

5

3

3

=−=

+×−=

+=

−

−

COOHCHCOOCHpKpH a

HCl 첨가 ∆pH = 4.74 - 4.74 = 0

완충 용액의 pH는 [A-]/[HA]에 의해 결정됨.




Solution B

H+(aq) + CH3COO-(aq) → CH3COOH(aq) 처음 0.010 mol 0.050 mol 0.050 mol ( = 0.050 M x 1.0 L) ( = 0.050 M x 1.0 L) 나중 0 mol 0.040 mol 0.060 mol

74.4074.4

)050.0050.0log()108.1log(

)][][log(

5

3

3

=+=

+×−=

+=

−

−

COOHCHCOOCHpKpH a

56.418.074.4

)060.0040.0log()108.1log(

)][][log(

5

3

3

=−=

+×−=

+=

−

−

COOHCHCOOCHpKpH a

HCl 첨가 ∆pH = 4.74 - 4.56 = 0.18

완충 용액의 pH는 [A-]/[HA]에 의해 결정됨.




∆pH = 4.74 - 4.74 = 0

∆pH = 4.74 - 4.56 = 0.18

왼충 용량(Buffer capacity) : [HA]와 [A-]의 크기에 의해 결정됨

00.100.500.5

][][

==−

HAA 996.0

01.599.4

][][

==−

HAAH+

added

0.4 % change

67.0060.0040.0

][][

==−

HAAH+

added

33 % change

00.1050.0050.0

][][

==−

HAA



00.100.100.1

][][

==−

HAcAc 98.0

01.199.0

][][

==−

HAcAcH+

added

2.00 % change

10001.000.1

][][

==−

HAcAc H+

added

50.5 % change

5.4902.099.0

][][

==−

HAcAc

효과적인 완충 작용은 [HA] = [A-] 일 때 일어남.

aaa pKpKHAApKpH =+=+=−

)1log()][][log(

pKa가 원하는 pH 값과 가장 가까운 약산 찾아 완충 용액을 만드는 것이 가장 효과적임


Ex) 다음 중 pH=4.30 완충 용액을 만드는 데 가장 적합한 것은? 그리고 [HA]/[A-] 의 비는?

(a) chloroacetic acid (Ka = 1.35 x 10-3)

(b) propanoic acid (Ka = 1.3 x 10-5)

(c) benzoic acid (Ka = 6.4 x 10-5)

(d) hypochlorous acid (Ka = 3.5 x 10-8)

869.2)1035.1log( 3 =×−= −apK

89.4)103.1log( 3 =×−= −apK

19.4)104.6log( 5 =×−= −apK

46.7)105.3log( 8 =×−= −apK

MHpH 530.4 100.510][ 30.4 −−+ ×===

23

55 107.3

1035.1100.5][

][][ 100.5

][][][ −

−

−+

−−

−+ ×=

××

==×==a

a KH

AHAM

AHAKH

8.3103.1100.5][

][][

5

5

=××

== −

−+

−aK

HAHA

78.0104.6100.5][

][][

5

5

=××

== −

−+

−aK

HAHA

38

5

104.1105.3100.5][

][][

×=××

== −

−+

−aK

HAHA

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Chloroacetic_acid.png

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Propionic_acid_structure.png

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Benzoic_acid.png

산-염기 적정

적정(titration): 알고있는 농도의 시료를 이용하여 미지 시료의 농도를 결정하는 방법

pH 적정 곡선(pH titration curve): 첨가한 적정제(titrant)의 부피에 따른 혼합 용액의 pH 곡선

당량점(equivalence point): 화학량론적으로 산과 염기가 함께 똑같은 양에 도달하는 점

산-염기 적정 강산-강염기 적정

Ex) 50.0 mL의 0.100 M HCl 용액에 다음 부피의 0.100 M NaOH을 첨가할 때, 혼합 용액의 pH를 계산하시오. (a) 0 mL (b) 25.0 mL (c) 40.0 mL (d) 50.0 mL (e) 60 mL (f) 75 mL

(a) [H+] = 0.100 M → pH =1.000

(b) H+ + OH- → H2O(l) 반응 전 5.00 mmol 2.50 mmol (=50.0 mL x 0.100 M) (=25.0 mL x 0.100 M) 반응 후 2.50 mmol 0

477.1)0333.0log(

0333.0)0.250.50(

50.2][

=−=

=+

=+

pH

MmL

mmolH

H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)

(c) H+ + OH- → H2O(l) 반응 전 5.00 mmol 4.00 mmol (=50.0 mL x 0.100 M) (=40.0 mL x 0.100 M) 반응 후 1.00 mmol 0 954.1)0111.0log(

0111.0)0.400.50(

00.1][

=−=

=+

=+

pH

MmL

mmolH



(d) H+ + OH- → H2O(l) 반응 전 5.00 mmol 5.00 mmol (=50.0 mL x 0.100 M) (=50.0 mL x 0.100 M) 반응 후 1.00 x 10-7M 1.00 x 10-7M

000.7=pH

H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)

(e) H+ + OH- → H2O(l) 반응 전 5.00 mmol 6.00 mmol (=50.0 mL x 0.100 M) (=60.0 mL x 0.100 M) 반응 후 0 1.00 mmol 959.1114

041.2)00909.0log(

00909.0)0.600.50(

00.1][

=−==−=

=+

=−

pOHpHpOH

MmL

mmolOH

(f) H+ + OH- → H2O(l) 반응 전 5.00 mmol 7.50 mmol (=50.0 mL x 0.100 M) (=75.0 mL x 0.100 M) 반응 후 0 2.50 mmol 301.1214

699.1)0200.0log(

0200.0)0.750.50(

50.2][

=−==−=

=+

=−

pOHpHpOH

MmL

mmolOH



pH 1.000 1.477 1.954 7.000 11.959 12.301

강염기에 강산을 첨가하여 적정할 때 적정 곡선

산-염기 적정 약산-강염기 적정

Ex) 50.0 mL의 0.100 M CH3COOH (Ka = 1.8 x 10-5) 용액을 다음 부피의 0.100 M NaOH 로 적정할 때 pH를 계산하시오. (a) 0 mL (b) 10.0 mL (c) 25.0 mL (d) 40.0 mL (e) 50.0 mL (f) 60.0 mL (g) 75.0 mL

(a) CH3COOH(aq) → H+(aq) + CH3COO-(aq) 처음 0.100 M 0 0 eq 0.100-x x x

89.2

%)510.0103.1

10.0:rule (5%

103.1][

100.0100.0][]][[108.1

3

3

22

3

35

=

<×

=

×==

≈−

==×=

−

−+

−+−

pH

xMxH

xx

xCOOHCH

COOCHHKa←


Ex) 50.0 mL의 0.100 M CH3COOH (Ka = 1.8 x 10-5) 용액을 다음 부피의 of 0.100 M NaOH 로 적정할 때 pH를 계산하시오. (a) 0 mL (b) 10.0 mL (c) 25.0 mL (d) 40.0 mL (e) 50.0 mL (f) 60.0 mL (g) 75.0 mL

평형 계산

(b) 화학양론적 계산

OH- (aq) + CH3COOH(aq) → H2O(l) + CH3COO-(aq) 반응 전 1.00 mmol 5.00 mmol 0 0 (=10.0 mL x 0.100 M) (= 50.0 mL x 0.100 M) 반응 후 0 4.00 mmol 1.00 mmol 1.00 mmol

CH3COOH(aq) → H+(aq) + CH3COO-(aq) 처음 (4.00/60.0) M ≈0 (1.00/60.0) M eq (4.00/60.0-x) M x M (1.00/60.0+x) M

14.4

%)5107.6102.7

0.60/0.4:rule (5% 102.7][

0.4)(

][]][[108.1

2

55

0.100.500.4

0.100.500.1

3

35

=

<××

=×==

≈−+

==×=

−

−−+

+

+−+

−

pH

xMxH

xxxx

COOHCHCOOCHHKa

←

14.4)41log(74.4

)log()108.1log(

)][][log(

][][][

][]][[108.1

0.100.500.4

0.100.50 0.1

5

3

3

3

3

3

35

=+≈

−+

+×−=

+=

=

=×=

+

+−

−

−+

−+−

xx

COOHCHCOOCHpKpH

COOCHCOOHCHKH

COOHCHCOOCHHK

a

a

a



평형 계산

(c) 화학양론적 계산



←

74.4

%)5103.3102.7

0.75/5.2:rule (5% 108.1][

)(][

]][[108.1

2

55

0.250.505.2

0.250.505.2

3

35

=

<××

=×==

≈−+

==×=

−

−−+

+

+−+

−

pH

xMxH

xxxx

COOHCHCOOCHHKa

74.4)1log(74.4

)log()108.1log(

)][][log(

)0.250.50( .52

)0.250.50( .52

5

3

3

=+=

+×−=

+=

+

+−

−

mLmmol

mLmmol

a COOHCHCOOCHpKpH

중간점(halfway point) : 당량점 부피의 반 [HA] = [A-], pH = pKa



평형 계산

(d) 화학양론적 계산



←

35.5

%)5101.1105.4

0.90/0.1:rule (5% 105.4][

0.4)(][

]][[108.1

2

66

0.400.500.1

0.400.500.4

3

35

=

<××

=×==

×≈−+

==×=

−

−−+

+

+−+

−

pH

xMxH

xxxx

COOHCHCOOCHHKa

35.560.074.4)4log(74.4

)log()108.1log(

)][][log(

)0.400.50( .01

)0.400.50( .04

5

3

3

=+=+=

+×−=

+=

+

+−

−

mLmmol

mLmmol

a COOHCHCOOCHpKpH



평형 계산

(e) 화학양론적 계산

OH- (aq) + CH3COOH(aq) → H2O(l) + CH3COO-(aq) 반응 전 5.00 mmol 5.00 mmol 0 0 (=40.0 mL x 0.100 M) (= 50.0 mL x 0.100 M) 반응 후 0 0 5.00 mmol 5.00 mmol

CH3COO-(aq) + H2O(l) → OH-(aq) + CH3COOH(aq) 처음 (5.00/100.0) M ≈0 M 0 M eq (5.00/100-x) M x M x M

72.828.500.1400.14

%)5100.5103.5

0.100/0.5:rule (5% 103.5][

][]][[106.5

108.1100.1

2

66

0.500.500.5

2

0.500.500.5

2

3

3105

14

=−=−=

<××

=×==

≈−

==×=××

==

−

−−−

++−

−−

−

−

pOHpH

xMxOH

xx

xCOOCH

COOHCHOHKKK

a

wb

←

Equivalence Point



(f) OH- (aq) + CH3COOH(aq) → H2O(l) + CH3COO-(aq) 반응 전 6.00 mmol 5.00 mmol 0 0 (=60.0 mL x 0.100 M) (= 50.0 mL x 0.100 M) 반응 후 1.00 mmol 0 5.00 mmol 5.00 mmol

96.1104.200.14)]101.9log([00.1400.14

101.9)0.600.50(

0.1][

3

3

=−=×−−=−=

×=+

=

−

−−

pOHpH

MmL

mmolOH

(g) OH- (aq) + CH3COOH(aq) → H2O(l) + CH3COO-(aq) 반응 전 7.50 mmol 5.00 mmol 0 0 (=75.0 mL x 0.100 M) (= 50.0 mL x 0.100 M) 반응 후 2.50 mmol 0 5.00 mmol 5.00 mmol

30.12 100.2)0.750.50(

5.2][ 2 ==>×=+

= −− pHMmL

mmolOH



pH 2.89 4.14 4.74 5.35 8.72 11.96 12.30

완충 효과

같은 모양 (OH- 지배)

강산-강염기 적정 곡선


halfway point

[A-]: stronger

base

당량점 : 산의 양에 의해 결정됨 당량점에서의 pH : 산의 세기에 의해 영향 받음

Ka에 따른 적정 곡선

산-염기 적정 다양성자산의 적정

H3PO3의 적정 (이양성자산)

1 단계: 화학양론적 반응 평형

H3PO3(aq) → H+ + H2PO3-(aq)

2 단계: 화학양론적 반응 평형

H2PO3-(aq) → H+ + HPO3

2-(aq)

산-염기 적정 산-염기 지시약으로 적정하기

산-염기 지시약 : • 약산(HIn)과 짝염기(In-) 형태가 다른 색을 나타냄. • 색 변화로 종말점(end point)을 알 수 있음. • 종말점과 당량점은 같을 필요가 없음.

phenolphthalein

산성 용액 염기성 용액


지시약의 작동 원리 :

HIn (Ka=1.0 x 10-8)

HIn

pH = 1 용액

71

8

100.1100.1100.1

][][][

][]][[

−−

−

+

−

−+

×=××

==

=

HK

HInIn

HInInHK

a

a

Red ⇒

OH-

Blue ⇒

OH-

눈은 일 때 색 변화를 감지 101

][][=

−

HInIn

7 100.110][101

][][][

][]][[

7 =×==

===

−+

+

−−+

pHKHHK

HInIn

HInInHK

a

aa

Reddish purple ⇒

HIn(aq) → H+(aq) + In-(aq)

Red Blue



HIn (Ka=1.0 x 10-8) HIn(aq) → H+(aq) + In-(aq)

Red Blue

HIn

pH = 13 용액

513

8

100.1100.1100.1

][][][

][]][[

×=××

==

=

−

−

+

−

−+

HK

HInIn

HInInHK

a

a

Blue ⇒

H+

눈은 일 때 색 변화를 감지 1

10][][=

−

HInIn

9 100.110

][

110

][][][

][]][[

9 =×==

===

−+

+

−−+

pHKH

HK

HInIn

HInInHK

a

aa

Bluish purple ⇒Red ⇒

H+



acid base

1)101log(

)][][log(

−=+=

+=−

aa

a

pKpK

HInInpKpH

acid base

1)1

10log(

)][][log(

+=+=

+=−

aa

a

pKpK

HInInpKpH

Color change range:

1±≈ apKpH


강산-강염기

용해도 평형

용해도 평형: 이온화합물의 용해 또는 침전 반응의 평형, 즉, 불균일 평형의 기술

Ex) 치아 부식, 신장 결석, 석회 동굴, BaSO4 [X-ray agent (Ba2+)]

용해도 평형 용해도곱 상수(Ksp), 용해도

BaSO4 포화 수용액에서의 평형

BaSO4(s) Ba2+(aq) + SO42−(aq)

평형 상수식 Ksp = [Ba2+] [SO42−]

용해도곱(solubility product): Ksp 값

용해도(solubility): 용액 1 L에 용해된 용질의 질량 (g/L)

몰용해도(molar solubility): 용액 1L에 용해된 용질의 몰수(mol/L, 즉 M)

용해도 평형 용해도곱 상수(Ksp), 용해도

Ex) 25°C에서 고체 크로뮴산 은(silver chromate) 을 순수한 물에 첨가했다. 약간의 고체가 플라스크 바닥에 녹지 않고 남았다. 녹지 않은 Ag2CrO4(s)와 용액 사이의 평형이 완결되도록 며칠간 저어 주었다. 평형 용액을 분석하였더니 은 이온(Ag+)의 농도가 1.3 × 10－4M이었다. Ag2CrO4가 물에 완전히 해리되며, 용액 중에 Ag＋과 CrO4

2－ 이온이 관련된 어떤 다른 중요한 평형도 없다고 가정할 때, Ag2CrO4의 Ksp를 계산하시오.

Ex) 25°C에서 CaF2의 Ksp는 3.9 × 10－11이다. CaF2가 물에서 완전히 해리되며, 용해도에 영향을 미치는 다른 중요한 평형이 없다고 가정할 때, CaF2의 용해도를 g/L로 계산하시오.

용해도에 영향을 주는 인자 공통 이온 효과

용해도에 영향을 주는 인자: (1) 공통 이온의 존재, (2) 용액의 pH, (3) 착화제(착이온)의 존재, (4) pH와 착화제의 두 효과와 관련된 양쪽성(amphoterism)


Ex) 25°C에서 다음 용액 속에 있는 CaF2의 몰용해도를 계산하시오. (a) 0.010M Ca(NO3)2, (b) 0.010M NaF. (Ksp = 3.9 x 10-11)

(a)

(b) 평형 농도

용해도에 영향을 주는 인자 용해도와 pH

용액의 pH는 음이온이 염기성인 물질의 용해도에 영향을 미친다

OH- 제거: 평형 OH- 첨가: 평형

pH 감소: 평형 pH 증가: 평형

용해도에 영향을 주는 인자 용해도와 pH

석회석(limestone ) CaCO3(s) → Ca2+(aq) + CO32-(aq) Ksp = 8.7 x10-9

←

CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq) → HCO3

-(aq) + H+(aq) ←

←

Luray Cavern 고수동굴 (단양)

H+(aq) → HCO3-(aq)

+

평형 = > 용해도 ↑ => 석회동굴 →

Mammoth Cave

CO2(g) ↑ => pH ↑ => solubility ↓

http://www.pbase.com/merriwolf/34th_camp_mammoth_cave

용해도에 영향을 주는 인자 착이온의 형성

금속 이온은 Lewis 산으로서 작용할 수 있다. 따라서, 용매 존재 하에 Lewis 염기와 반응하여 착이온(complex ion)을 형성한다. 이는 금속염의 용해도에 영향을 미친다.

형성 상수 (formation constant, Kf)

용해도에 영향을 주는 인자 착이온의 형성

Ex) 진한 암모니아를 0.010M AgNO3 용액에 첨가했을 때, [NH3]의 평형 농도가 0.20M이었다. 평형일 때, 용액에 존재하는 Ag＋의 농도를 계산하시오. 단, NH3를 첨가했을 때 생기는 부피 변화는 무시한다.

용해도에 영향을 주는 인자 양쪽성

중성의 물에 잘 녹지 않는 금속 산화물과 금속 수산화물은 강산과 강염기 용액에서 녹는다. 이는 이들 물질이 산 또는 염기로 거동할 수 있기 때문인데, 그들을 각각 양쪽성 산화물(amphoteric oxide)과 양쪽성 수산화물(amphoteric hydroxide)이라고 한다. Ex) Al3+, Cr3+, Zn2+, Sn2+,

침전과 이온 분리

BaSO4(s) Ba2+(aq) + SO42−(aq) Ksp = [Ba2+] [SO4

2−]

용액에서,

(1) Q = Ksp 라면, 계는 평형이고, 포화 용액이다.

(2) Q < Ksp라면, Q = Ksp까지 고체는 더 녹을 것이다.

(3) Q > Ksp라면, Q = Ksp까지 염은 침전될 것이다.

Ex) 8.0 × 10－3M Pb(NO3)2 0.10 L를 5.0 × 10－3M Na2SO4 0.40 L에 첨가했을 때, 침전이 생성되는가? (PbSO4의 Ksp= 6.3 × 10－7)

PbSO4(s) Pb2+(aq) + SO42−(aq) Ksp = [Pb2+] [SO4

2−]

Q = [Pb2+]0[SO42−]0 MMM

Lmmol

Lmmol 633 104.6104106.1

5.00.2

5.080.0 −−− ×=×⋅×=⋅=

Q > Ksp

침전 생성

이온의 선택 침전

선택성 침전 (selective precipitation): 염의 용해도 차이를 이용하여, 혼합물 속의 이온들을 분리하는 방법

Ex) 1.0 × 10－2M Ag＋과 2.0 × 10－2M Pb2＋을 포함하는 용액이 있다. Cl－을 이 용액에 첨가할때, AgCl (Ksp ＝ 1.8 × 10－10) 과 PbCl2 (Ksp ＝ 1.7 × 10－5) 이 모두 침전되었다. 각각의 염이 침전되기 시작할 때 필요한 Cl－의 농도는 얼마인가? 어느 염이 먼저 침전되는가?

AgCl

[Cl-] > 1.8 x 10-8 M 이면 AgCl 침전 생성

PbCl2

[Cl-] > 2.9 x 10-2 M 이면 PbCl2 침전 생성

1.8 x 10-8 M < [Cl-] < 2.9 x 10-2 M 에서 AgCl 선택적 침전

이온의 선택 침전

Ksp

S2- 를 사용할 때의 다른 이점: pH를 조절하여 S2- 의 농도를 조절할 수 있다.

← ←

낮은 pH : 평형 , 낮은 [S2-]. 높은 pH : 평형 , 높은 [S2-]

매우 작은 Ksp

황화물의 선택적 침전: 황화물은 넓은 용해도 범위를 가지고 있다. 따라서 S2- 이온은 이온 분리에 광범위 하게 사용된다.

H2S → H+ + HS- Ka1 = 1.0 x 10-7

HS- → H+ + S2- Ka2 ≈ 10-19

금속 원소의 정성 분석

정성 분석 (qualitative analysis): 물질의 성격을 분석 정량 분석(quantitative analysis): 물질의 양을 분석

금속 원소의 정성 분석

1. 불용성 염화물 (insoluble chlorides)

2. 산-불용성 황화물 (acid-insoluble sulfides)

3. 염기-불용성 황화물 (base-insoluble sulfide) 과 수산화물 (hydroxide) :

4. 불용성 인산염 (insoluble phosphate):

5. 알칼리 금속 이온 (alkali metal ion) 과 NH4＋:

K+ Na+

종합 개념

Ex) 21°C, 0.950 atm의 HCl 기체 1.25 L를 0.150M NH3 용액 0.500 L에 통과시켰다. 모든 HCl이 용해되고, 용액의 부피는 0.500 L를 그대로 유지한다고 가정할 때, 용액의 pH를 계산하시오.

HCl(g) + NH3(aq) → NH4+(aq) + Cl -(aq)

NH4+(aq) → H+(aq) + NH3(aq) Kb(NH3) = 1.8 x 10-5

←

97.8280.025.9

)0984.00516.0log()106.5log(

)][][log(

10

4

3

=−=

+×−=

+=

−

+NHNHpKpH a

Kb(NH3) = 1.8 x 10-5 Ka(NH4+) = 5.6 x 10-6

a bag of mostly water - star trek -...

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