Chemistry: The Study of Change

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두나 주
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1 산 - 염기평형및 용해도평형 16.2 공통이온효과 16.3 완충용액 16.4 산 - 염기적정 16.5 산 - 염기지시약 16.6 용해도평형 16.8 공통이온효과및용해도 16.9 ph 및용해도 착이온평형및용해도 16.7 분별침전에의한이온의분리 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

2 16.2 공통이온효과 공통이온효과 (common ion effect): 용해된물질과공통된이온을첨가함으로써일어나는평형의이동 공통이온이존재하면약산이나약염기의이온화가억제됨 CH 3 COOH ( 약산 ) 수용액에 CH 3 COONa 을첨가한경우, 강전해질인 CH 3 COONa 은완전해리되고, 르샤틀리에원리에따라평형은왼쪽으로이동됨 CH 3 COOH (aq) CH 3 COONa (s) H + (aq) + CH 3 COO - (aq) Na + (aq) + CH 3 COO - (aq) 공통이온

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6 16.3 완충용액 완충용액 (Buffer Solution): 소량의산이나염기를첨가하여도 ph 변화에저항하는능력을가진용액 1) 약산과짝염기를포함하는수용액 2) 약염기와짝산을포함하는수용액 완충용액은첨가하는 OH - 나 H + 이온과반응할수있도록충분한농도의산과염기를포함하고있어야함 완충용량 (buffer capacity) 은완충용액을만든산과짝염기의양에의존

7 완충용액에산을가할때와물에산을가할때의 ph 변화비교

8 완충용액에 OH - 로충격을가할경우 0.10 M CH 3 COOH / 0.10 M CH 3 COONa 완충용액 1.00 L 에 0.01 mol NaOH 고체를첨가하는경우 - 강산이나강염기가관여하는중화반응은 100% 완결됨 - 용액의부피변화가없다고가정할경우, 평형에서의 [H 3 O + ] 는 - NaOH 를가하지않았을때의 ph=4.74 에서약간의변화

9 완충용액에 H 3 O + 으로충격을가할경우 0.10 M CH 3 COOH / 0.10 M CH 3 COONa 완충용액 1.00 L 에 0.01 mol HCl 을가하는경우 - 강산이나강염기가관여하는중화반응은 100% 완결됨 - 중화점에서 [CH 3 CO 2 H] = 0.11 M 과 [CH 3 CO 2- ] = 0.09 M 이고평형에서의 [H 3 O + ] 는 - HCl 를가하지않았을때의 ph=4.74 에비하여약간 (0.08) 만변화

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13 Henderson-Hasselbalch equation HA (aq) H + (aq) + A - (aq) K a = [H+ ][A - ] [H + ] = K a [HA] [A - ] 양변에로그를취하면 -log [H + ] = -log K a - log [HA] [A - ] -log [H + ] = -log K a + log [A- ] [HA] [HA] ph = pk a + log [A- ] [HA] ph = pk a + log [ 짝염기 ] [ 산 ] Henderson-Hasselbalch equation 짝염기 (A - ) 의원천은약산이건염기이건상관없음

14 특정 ph 완충용액제조 약산과그짝염기의농도가같으면 ph = pk a + log [ 산 ] = [ 짝염기 ] ph = pk a [ 짝염기 ] [ 산 ] pk a 가원하는수용액의 ph 와비슷한약산을택하여 [ 짝염기 ]/[ 산 ] 의비를구하여완충용액제조

17 16.4 산 - 염기적정 적정곡선 (titration curve): 농도를알지못하는산용액 ( 또는염기용액 ) 을농도를아는염기 ( 또는산 ) 의용액으로중화시킬때가하는적정액부피에대하여용액의 ph 를도시한곡선 당량점 (equivalence point): 중화적정에서산과염기가화학양론적으로반응하는적정점 산 - 염기적정을모니터하는데사용하는 ph 미터

18 0.100 M HCl 25 ml 를 M NaOH 를사용하여적정하는경우 1. NaOH 를첨가하기전 : HCl 은강산이므로 H 3 O + 의초기농도는 M 이고따라서초기 ph 는 NaOH 10 ml 를가했을때 강산 - 강염기적정 NaOH (aq) + HCl (aq) OH - (aq) + H + (aq) H 2 O (l) + NaCl (aq) H 2 O (l) 초기 mmol H 3 O + = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol OH - = (10.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 1.00 mmol 중화반응에의하여첨가한 OH - 의 mmol 수와같은양의 H 3 O + 가없어지므로, 중화한다음 mmol H 3 O + = mmol H 3 O + 초기 - mmol OH - 첨가 = 2.50 mmol mmol = 1.50 mmol 중화한다음용액의전체부피 = = 35.0 ml

19 NaOH 10 ml 가했을때혼합수용액의 H 3 O + 농도 1.50 mmol H 3 O ml x 1000 ml 1 L = M H 3 O + NaOH 10 ml 가했을때혼합수용액의 ph ph= -log = NaOH 25 ml 를가했을때 초기 mmol H 3 O + = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol OH - = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 생성된염 2.50 mmol 의 NaCl 은가수분해하지않으므로당량점에서 [H 3 O + ]=[OH - ] =1.00 x 10-7, ph= -log (1.00 x 10-7 ) =7.00

20 3. NaOH 35 ml 를가했을때 초기 mmol H 3 O + = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol OH - = (35.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 3.50 mmol 첨가한 OH - 의 mmol 수는 H 3 O + 가를중화하고도남는양이므로, 과량의 OH - 의 mmol 수는 3.50 mmol-2.50 mmol= 1.00 mmol 용액의전체부피는 60 ml 이고, [OH - ] 는 [OH - ]= 1.00 mmol OH ml x 1000 ml 1 L = M poh= -log =1.78 ph= 14-pOH= =12.22

21 강산 - 강염기적정

22 약산 - 강염기적정 M CH 3 COOH(aq) 25 ml 를 M NaOH(aq) 를사용하여적정하는경우 1. NaOH 를첨가하기전 : CH 3 COOH 은약산이고, 25 에서 K a =1.8 x10-5, 약산의 ph 를계산하는방법 ( 예제 16.1) 에따라계산하면 ph 는 NaOH 10 ml 를가했을때 : 초기 mmol CH 3 COOH = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol OH - = (10.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 1.00 mmol 첨가한 OH - 은 CH 3 COOH 1.00 mmol 을중화시켜 1.00 mmol 의 CH 3 CO 2- 을생성하고 1.50 mmol 의 CH 3 CO 2 H 이남아완충용액이됨 수용액의전체부피는 35mL 이고, [CH 3 COOH]=1.50mmol/35mL=0.043M, [CH 3 COO - ]=1.00mmol/35mL=0.029M

23 K a =1.8 x10-5, -logk a =4.74 [ 짝염기 ] ph = pk a + log = log [ 산 ] 3. NaOH 25 ml를가했을때 ( 당량점 ) = 4.58 초기 mmol CH 3 COOH = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol OH - = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 OH - 은 CH 3 COOH 2.50 mmol 를완전히중화시켜 2.50 mmol 의 CH 3 CO 2- 을생성 용액의전체부피는 50 ml 이므로 [CH 3 CO 2- ]= 2.5 mmol/50 ml=0.050 M CH 3 CO 2- 가가수분해한용액의 ph 계산방법 ( 예제 15.13) 에따라계산하면

24 3. NaOH 35 ml 를가했을때 초기 mmol CH 3 COOH = (25.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol OH - = (35.0 ml)(0.100 mmol/ml) = 3.50 mmol 첨가한 OH - 의 mmol 수는 CH 3 COOH 를중화하고도남는양이므로, 과량의 OH - 의 mmol 수는 3.50 mmol-2.50 mmol= 1.00 mmol 용액의전체부피는 60 ml 이므로 [OH - ]= 1.00 mmol/65 ml= M poh= -log =1.78 ph=14-poh= =12.22

25 약산 - 강염기적정

26 약염기 - 강산적정 M NH 3 (aq) 25 ml 를 M HCl(aq) 을사용하여적정하는경우 약염기 - 강산적정의경우와정반대, 각적정단계별 ph 계산방법은매우흡사 NaOH 25 ml 를가했을때 ( 당량점 ) ph 계산 초기 mmol NH 3 = (25.0 ml)x(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 mmol HCl = (25.0 ml)x(0.100 mmol/ml) = 2.50 mmol 첨가한 HCl 은 NH mmol 를완전히중화시켜 2.50 mmol 의 NH 4+ 를생성 용액의전체부피는 50 ml 이므로 [NH 4+ ]= 2.5 mmol/50 ml=0.050 M NH 4 + 는수용액에서물을가수분해시켜용액을산성화시키므로당량점의 ph <7

27 당량점에서 NH 3 와 H + 의평형농도를 x 라하면 NH 4 + 의 25 에서 K a =5.6 x10-10

28 강산 - 약염기적정

29 16.5 산 - 염기지시약 지시약 (indicator): 색깔의변화를통해서중화적정의종말점을나타내는데사용될수있는물질 지시약은보통이온화된형태와이온화되지않은형태에서서로다른색을가지는유기산이나유기염기로지시약마다색이변하는 ph 범위가다름 종말점 (end point): 지시약의색깔이변하는점 HIn (aq) H + (aq) + In - (aq) [HIn] [In - ] [HIn] [In - ] 산 (HIn) 의색이우세 짝염기 (In - ) 의색이우세

30 몇가지산 - 염기지시약

33 16.6 용해도평형 용해도평형 : 용해되어수용액을만드는고체와관련된평형 AgCl (s) Ag + (aq) + Cl - (aq) 불균일반응에서고체의농도는일정하므로, AgCl 용해에대한평형상수식에서 AgCl 의농도는생략 K sp = [Ag + ][Cl - ] 이때의평형상수 K sp 를용해도곱상수 (solubility product constant) 또는간단히용해도곱 (solubility product) 이라함 MgF 2 (s) Ag 2 CO 3 (s) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) Mg 2+ (aq) + 2F - (aq) 2Ag + (aq) + CO 3 2- (aq) 3Ca 2+ (aq) +2PO 4 3- (aq) K sp = [Mg 2+ ][F - ] 2 K sp = [Ag + ] 2 [CO 3 2- ] K sp = [Ca 2+ ] 3 [PO 4 3- ] 2

35 난용성염의수용액에서이온의농도가평형조건과일치하지않는경우, 용해도곱대신이온곱 (ion product, Q) 이라함 여러이온의혼합물용액으로부터어떤한이온만침전되는지여부를결정할때 Q 수치를사용 Q < K sp 불포화용액침전안됨 Q = K sp 포화용액 Q > K sp 과포화용액침전형성

36 몰용해도 (Molar solubility, mol/l) : 포화용액1L 안에있는용질의몰수 용해도 (Solubility, g/l) : 포화용액 1L 안에있는용질의 g수 용해도는주어진온도에서의포화용액의농도를나타내는것 용해도 K sp

37 16.8 공통이온효과및용해도 공통이온이존재하면염의용해도는감소 순수한물에서의 AgBr 용해도와공통이온 Br - 을포함하는 M NaBr(aq) 수용액에서의용해도비교 AgBr (s) Ag + (aq) + Br - (aq) NaBr (s) Na + (aq) + Br - (aq) K sp = 7.7 x [Br - ] = M s 2 = K sp s = 8.8 x 10-7 AgBr(s) [Ag + ] = s Ag + (aq) + Br - (aq) [Br - ] = s K sp = x s s = 7.7 x 10-10

38 Ksp = 1.6 x 10-10

41 16.9 ph 및용해도 염기성음이온을함유하는이온화합물은용액의산성이증가하면용해도증가 Mg(OH) 2 (s) Mg 2+ (aq) + 2OH - (aq) OH - 농도증가 H + 농도증가 K sp = [Mg 2+ ][OH - ] 2 = 1.2 x K sp = (s)(2s) 2 = 4s 3 4s 3 = 1.2 x s = 1.4 x 10-4 M [OH - ] = 2s = 2.8 x 10-4 M poh = 3.55 ph = ph 이상에서 [OH - ] 증가 용해도감소 ph 이하에서 [H + ] 증가 [OH - ] 감소 용해도증가 강산의음이온 (Cl -, Br -, I -, NO 3-, ClO 4- ) 들을포함하는염류는그음이온이 H 3 O + 와결합하지않기때문에용해도는 ph 의영향을별로받지않음

44 16.10 착이온평형및용해도 용해시형성되는금속양이온이배위공유결합 ( 착이온 ) 을형성하면용해도증가 금속이온이특정착이온을형성하는척도는착이온형성에대한평형상수인 K f ( 안정도상수, stability constant) 로나타냄

47 s=0.0446m, Ag+=3.59x10-9, NH 3 =0.911, Ag(NH 3 ) 2+ =0.0446

48 16.7 분별침전에의한이온의분리 이온혼합물을분리하기위한가장쉬운방법은일부이온을침전시킬수있는용액을가하는것임 예를들어 K +, Ba 2+ 을포함하는용액에황산을가하면 BaSO 4 침전이형성되어용액으로부터대부분의 Ba 2+ 을제거할수있음 Cl -, Br -, I - 같은할로겐음이온도 K sp 의차이를이용하여질산은 (AgNO 3 ) 용액을서서히가해주면 AgI, AgBr, AgCl 순으로침전이형성됨

슬라이드 1

슬라이드 1 A bg of mostly wter - Str Trek - 17 수용액평형의다른관점 공통이온효과 이제까지는산과 ( 또는 ) 염기를가지는용액의평형을살펴보았음. 약산 ( 또는약염기 ) 와그짝염기 ( 또는짝산 ) 을가지는용액에서는평형이어떻게될까? CH 3 COOH (K 1.8 x -5 ) 와 CH 3 COON를포함하는용액 CH 3 COOH(q) H (q)ch 3