[일반화학실험] 질산칼륨의 용해도

 

Title

질산칼륨의 용해도

Purpose

온도에 따른 용해도의 차이를 이용하여 물질의 순도를 높일 수 있다.

 

 

Theory

◆ 엔탈피 
반응 또는 변화가 일어날 때, 계가 흡수하거나 방출하는 열(에너지)을 의미한다. 엔탈피는 에너지와 유사하며, 아래와 같이 정의한다.

E는 계의 내부에너지, P는 계의 압력, V는 계의 부피이다. 이는 모두 상태함수이므로, 엔탈피도 계의 상태를 표현하는 상태함수이다. 위의 식을 통해 계의 엔탈피의 변화는 아래와 같이 나타낸다.

또, 화학반응에서 엔탈피 변화는 다음식으로 나타낸다.

여기서 생성물의 엔탈피가 더 커서 0보다 크면, 계가 에너지를 받는것이므로 흡열반응이다. 반대로, 반응물의 엔탈피가 더 커서 0보다 작다면, 계가 에너지를 잃는 상태이므로 발열반응이 된다.

◆ 엔트로피
계 안에서 에너지의 흐름을 설명할 때 사용되는 상태함수이다. 통게역학적으론 온도와 같은 상태가 얼마나 무질서에 가까운지 나타내는 척도이다. 엔트로피는 상태함수이기 때문에 엔트로피의 변화는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

이면 자발적인 과정이고 이면 비자발적인 과정이다. 열역학 제2법칙에 따르면 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 일어난다.

◆ 깁스 자유에너지
자발적인 계의 변화 정도를 나타내고, 엔탈피와 엔트로피를 결합한 상태함수이다. 등온 및 등압과정에서의 화학반응 방향을 예측할 수 있다. 깁스 자유에너지를 수학적으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 는 계의 내부 에너지, 는 압력, 는 계의 부피, 는 계의 엔트로피, 는 계의 엔탈피 이다.
면 반응이 자발적으로 일어나고, 인 경우 반응이 비자발적이다.인 경우에는 동적평형을 이루고 있다.

 

◆ 용해도
용질이 용매에 녹는 성질을 나타내는 것으로, 물질이 주어진 부피와 주어진 온도에서 용매에 대해 용해돼 평형을 이루는 최대량으로 정의된다. 

(용해도에 영향을 미치는 요인)
-화합물의 구조
극성 용질은 극성용매에서 용해도가 높고, 비극성 용질은 비극성 용매에서 용해도가 높다. 분한력과 분자내힘을 따져서 생각해보면, 극성분자 사이에는 쌍극자-쌍극자 힘이 추가로 존재하므로, 분자간 인력을 끊는데 에너지가 많이 필요하다. 따라서, 비극성 용질과 극성 용매는 용액을 형성하기 힘들다.

-온도
대부분의 액체와 고체 물질의 용해도는 은 온도가 증가함에 따라 증가한다.

-기체의 용해도
기체는 고체나 액체와 다르게 온도가 높아지면 용해도가 낮아진다. 물이 끓으면 기포가 생기는 것으로 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 기체의 용해도는 압력의 영향도 많이 받는다. 

-용해도곱 
화합물의 포화 용액에서 양이온과 음이온의 농도(몰농도)의 곱이다.
solubility product를 줄여 Ksp로 나타낸다.

질산칼륨의 용해
화학 반응식으로 나타내면 
질산칼륨 용해도곱 

Result<실험 A>
질산칼륨의 질량에 따른 몰농도와 결정이 처음 나타나는 온도를 측정했다.

<실험 B>
오염된 질산칼륨으로부터 질산칼륨 석출하기

<엔탈피 구하기>
이고 을 변형하면 이다. 여기서 R은 기체상수인 8.314j/mol k 이다. 
를 축으로, 를 축으로 놓고 그래프를 그리면,

Discussion

◆ 궁금한 점 & 더 알고싶은점
Q1 오염물질로 질산구리를 쓴 이유는?

Q2 오염된 질산칼륨을 재결정하고 세척하면 오차가 더 커지지 않을까?



◆ 오차분석
질산칼륨 용해열의 이론값은 , 측정값은
오차율은  상당히 크게 나온다.
원인을 분석해보자면, ~
오차를 해결하기 위해선 다음과 같은 방법을 시행할 수 있다. ~

◆ 느낀점 & 고찰

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Reference

1) 줌달의 일반화학 p272-273 ‘엔탈피’
2) 네이버 지식백과, 화학산책, ‘엔탈피’
3) 네이버 지식백과, 생화학백과‘엔트로피’
4) YTN사이언스 ‘엔트로피란 무엇인가?’
5) 네이버 지식백과, 물리학백과 ‘깁스자유에너지’
6) 네이버 지식백과, 화학백과 ‘용해도’

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