[화학실험보고서] 화학 평형 상수의 결정

화학 평형 상수의 결정

1. 실험 목적
화학 반응이 평형 상태에 도달하였을 때 평형 상태에서 존재하는 각 종의 농도를 알아냄으로써 반응의 평형 상수를 계산하여 본다.

2. 실험 원리
일반적으로 다음과 같은 평형 aA + bB + cC + … ⇔ lL + mM + nN + … 은 질량작용의 법칙에 의해서 이라는 식이 성립된다. 가역 반응이 진행되면 궁극적으로 반응은 평형에 이르게 되며, 이 반응이 평형에 도달하였을 때의 각 화학종들의 농도(활성도)를 각각 [A],[B],[C] 로 나타내며, 를 이 반응의 평형상수라고 한다.

이 실험은 요오드화 이온이 요오드로 반응하여 삼요오드화 이온을 형성하는 반응의 평형상수를 구하고자 한다. 고체 요오드는 물에 녹지 않지만 요오드화 이온을 함유한 수용액에서는 잘 녹는다.

+ ⇔

이 반응의 평형 상수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

평행상수를 계산하기 위해 평형상태에서 존재하는 요오드화 이온과 삼요오드화 이온 및 분자상태인 요오드의 농도를 알아야 한다. 농도 값은 0.2M 요오드화칼륨(KI)용액 1L에 0.025M 를 녹여 상당한 농도의 가 있는 용액을 만든다. 이 수용액에 물과 섞이지 않는 사염화탄소()를 가하여 함께 흔들어 주고 방치하면 두 액체상이 형성된다. 수용액 중에 존재하는 화학종들() 중에 만이 사염화탄소 중에 녹아들어 간다.
사염화탄소 중에 녹아있는 요오드의 농도와 수용액에 존재하는 요오드 및 삼요오드화 이온의 농도는 각 액체상의 일부분을 뽑아 티오황산염의 용액으로 적정하여 결정할 수 있다. 티오황산 이온은 와 를 모두 환원시킬 수 있다. 적정시에 발현하는 반응은 다음과 같다.

분자가 에 가해져서 평형에 도달할 때, 분자가 수용액상의 농도에 대한 상의 농도비는 상수가 된다. 25℃에서는 90.5이다. 이와 같이 평형 상태에서는 다음과 같은 관계식이 성립한다.

이러한 관계식은 오직 수용액상에서만 적용된다. 아래의 평형 상수식은 각농도를 계산할 수 있다.

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