Overview
출처: 마이클 에반스 박사 연구소 — 조지아 공과대학
평형상시, K,화학시스템에 대한 제품 농도의 비율은 평형에서 반응성 농도에 대한 비율이며, 각각 각각 각 스토이치오메트릭 계수의 힘으로 상승한다. K의 측정은 화학 적 평형시스템에 대한 이러한 농도의 결정을 포함한다.
단일 컬러 성분을 포함하는 반응 시스템은 분광계로 연구될 수 있다. 착색 성분에 대한 흡광도와 농도 사이의 관계는 반응 시스템에서 의 농도를 결정하는 데 사용됩니다. 무색 성분의 농도는 균형 잡힌 화학 방정식과 착색 성분의 측정 된 농도를 사용하여 간접적으로 계산될 수 있습니다.
이 비디오에서 Fe(SCN)2+에 대한 맥주의 법칙 곡선은 경험적으로 결정되고 다음 반응을 위해 K 측정에 적용됩니다.
반응제의 다른 초기 농도를 가진 4개의 반응 시스템은 K가 초기 농도에 관계없이 일정하게 남아 있다는 것을 보여주기 위하여 조사됩니다.
Principles
모든 화학 반응은 화학 적 평형에서 반응 농도에 대한 제품 농도의 비율을 반영하는 평형 상수 K와관련이 있습니다. 제네릭 반응A + b B C 
C + d D의 경우 평형 상수는
방정식의 오른쪽에 있는 농도가 평형에 어모인 경우. 이 방정식을 반응에 대한 평형 표현식으로 알려져 있다. 평형에 없는 화학 시스템에서는 반응제 및 제품의 농도가 평형 발현을 만족시킬 때까지 서로 다른 속도로 전방 및 역반응이 발생합니다.
화학적 평형의 시스템에 대한 K의 값을 측정하려면 반응제 및 제품의 농도를 직간접적으로 결정할 필요가 있다. K의 측정을 위한 분광측정 방법은 한 가지 착색 성분의 농도를 직접 측정하고 다른 성분의 간접 측정을 포함한다. 알려진 농도에서 착색 성분의 눈에 보이는 분광법은 이 성분에 대한 흡광도와 농도 사이의 관계를 드러낸다. 맥주의 법에 따르면,이 관계는 형태를 가지고
여기서 e는 L/molcm에서 성분의 어금니흡수, l은 cm의 샘플을 통해 빛의 경로 길이이며, c는 몰/L성분의 어모도이며, A는 흡수성이다.
유색 성분에 대한 맥주의 법칙 곡선은 흡수량측정(도 1)으로부터이 성분의 농도를 결정하기 위해 평형에서 반응 시스템에 적용될 수 있다. 나머지 반응제 및 제품의 농도는 유색종의 측정된 어모함에 기초하여 초기 농도를 조정하여 계산될 수 있다.
여기서 연구된 시스템은 철분(III) 양이온의 반응이며, 티오카네이트 애니메이션으로 철분(III) 티오오카네이트 복합체를 형성한다.
이 반응 시스템에 대한 평형 표현은
여기서 eq 하위 스크립트는 평형 농도를 나타냅니다. 철(III) 티오시야네이트 제품은 주황색이지만, 두 반응제모두 수성 용액에 무색입니다. 따라서 [Fe(SCN)2+]eq는 흡수량 측정에서 직접 결정될 수 있다.
반응제의 평형 농도는 반응제의 초기 농도로부터 제품의 평형 농도를 빼서 계산할 수 있다. 초기-변경-평형(ICE) 표는 초기 및 평형 농도가 어떻게 관련되는지를보여줍니다(표 1).
반응제의 다른 초기 농도를 포함하는 이 실험의 반복된 예심은 K의 값이 농도와 무관하기 때문에 K의동일한 값을 산출해야 한다.
그림 1. 철 (III) 티오시야네이트에 대한 맥주의 법칙 곡선.
| Fe3+ | SCN– | Fe(SCN)2+ | |
| 최초의 | 【 Fe3+】 i | [SCN–] i | 0 |
| 잔돈 | –[Fe(SCN)2+]eq | –[Fe(SCN)2+]eq | +[Fe(SCN)2+]eq |
| 평형 | 【 Fe3+】 i – [Fe(SCN)2+]eq | [SCN–] i – [Fe(SCN)2+]eq | 【Fe(SCN)2+】 eq |
표 1. 초기 변경 평형 (ICE) 테이블은 초기 및 평형 농도가 어떻게 관련되어 있는지 보여줍니다.
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Procedure
1. Fe (SCN)2 + 맥주의 법칙 곡선 결정
- 증류수를 빈물로 사용하여 보이는 분광광계를 교정합니다.
- 시험관에 1.0mL × 10-4 M Fe(NO3)3용액을 추가합니다.
- 동일한 테스트 튜브에 0.50 M KSCN 솔루션의 5.0 mL을 추가합니다.
- 동일한 테스트 튜브에 0.10 M HNO3 솔루션의 4.0 mL을 추가합니다. 장갑을 낀 손가락으로 튜브를 덮고 부드럽게 흔들어 섞습니다.
- 파스퇴르 파이펫을 사용하여 소량의 솔루션을 큐벳으로 전송합니다. 액체 수준이 분광광계의 광선 경로 위에 있는지 확인합니다.
- 큐벳을 분광계에 배치하여 빛이 투명한 측면을 통과합니다.
- 스펙트럼을 획득하고 λ 최대 값과 λ최대값의 흡수도를기록한다.
- 맥주의 법칙 곡선을 구성하려면 알려진 Fe(SCN)2+를 갖춘 추가 솔루션을 준비하고 측정해야 합니다. 2단계 -7은 표 2에서Fe(NO3)3,KSCN 및 HNO3 솔루션의 볼륨을 사용하여 반복한다. 모든 측정에 동일한 큐벳을 사용하여 각 샘플 사이에 증류수로 3회 헹구십시오.
- 각 테스트 튜브에서 측정된 흡광도와 Fe(SCN)2+의 농도를 플롯하고 데이터에 가장 적합한 라인을 결정합니다. 이 선의 경사는 어금니 의 흡수성이며 경로 길이는 1cm입니다.
2. 철 (III) 토오시네이트 시스템에 대한 K 측정
- 표3에서0.0025 M Fe(NO 3)3,0.0025 M KSCN 및 0.10 M HNO3 솔루션의 표시된 볼륨을 포함하는 4개의 중간 시험관을 준비한다.
- 각 튜브를 손가락으로 덮고 부드럽게 흔들어 섞습니다. 10분 이상 서 게 하십시오. 이 휴식 기간은 솔루션이 화학적 평형에 있음을 보장합니다.
- 파스퇴르 파이펫을 사용하여 소량의 용액 6을 큐벳으로 전송합니다. 액체 수준이 분광광계의 광선 경로 위에 있는지 확인합니다.
- 스펙트럼을 획득하고 λ 최대에서 흡광도를기록합니다.
- 반응제의 다른 초기 농도를 가진 다중 반응은 K가 농도에 의존하지 않는다는 것을 설명하기 위하여 공부될 수 있습니다. 다른 초기 조건에 대해 K를 결정하려면 솔루션 7 – 9에 대해 3 단계와 4단계를 반복합니다.
| 튜브 번호 | 음량 1.0 x 10-4 M Fe (NO3)3 (mL) |
음량 0.50 M KSCN (mL) |
음량 0.10 M HNO3 (mL) |
| 1 | 1.0 | 5.0 | 4.0 |
| 2 | 2.0 | 5.0 | 3.0 |
| 3 | 3.0 | 5.0 | 2.0 |
| 4 | 4.0 | 5.0 | 1.0 |
| 5 | 5.0 | 5.0 | 0.0 |
표 2. 적절한 양의 Fe(NO3)3,KSCN 및 HNO3 솔루션이 튜브 2 - 5에 배치됩니다.
| 튜브 번호 | 음량 0.0025 M Fe(NO3)3 (mL) |
음량 0.0025 M KSCN (mL) |
음량 0.10 M HNO3 (mL) |
| 6 | 1.0 | 1.0 | 5.0 |
| 7 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
| 8 | 2.0 | 2.0 | 3.0 |
| 9 | 2.0 | 3.0 | 2.0 |
표 3. 적절한 볼륨0.0025 M Fe(NO3)3,0.0025 M KSCN 및 0.10 M HNO3 솔루션.
화학 반응의 평형 상수를 결정하는 것은 시간이 지남에 따라 제품을 형성할 정도에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.
모든 화학 반응은 반응이 진행을 중지했을 때 제품 및 반응제의 농도의 비율을 반영하는 평형 상수, K와 연관된다. K를 측정하려면 이러한 농도를 결정해야 합니다.
반응에 단일 컬러 구성 요소가 포함되어 있는 경우 빛과의 상호 작용을 측정하여 농도를 분별할 수 있습니다. 그런 다음 비색 성분의 농도는 균형 잡힌 화학 방정식을 사용하여 간접적으로 계산할 수 있습니다. 이 비디오는 분광계의 사용을 보여 주며, 섬기 티오시안테 반응에 대한 평형 상수를 경험적으로 결정합니다.
대부분의 화학 반응은 전방 및 역 방향 모두에서 진행됩니다. 반응이 진행됨에 따라, 전방 및 역반응이 동일한 속도로 발생하는 지점에 도달한다. 이것은 화학적 평형으로 알려져 있습니다. 이러한 정상 상태에서, 각 계수의 힘으로 상승된 반응성 농도에 대한 제품 농도의 비율은 평형 상수, K에 해당한다. 관심 체계에 대해 K를 측정하려면 계수를 알려야 하며, 농도는 직간접적으로 결정되어야 합니다. 맥주 - 램버트 법에 따르면, 유색 인종의 농도는 빛의 특정 파장에서 흡수 하는 에너지의 양인 그것의 흡수에 비례. 이는 A가 흡수성인 경우, 엡실론이 어금니 감쇠 계수인 경우, 화합물 특이적, l은 시료를 통한 경로 길이이며, c는 농도인 수학적으로 발현될 수 있다. 교정 곡선은 알려진 농도의 여러 솔루션을 테스트하고 결과 흡수도 값을 플로팅하여 만들어집니다. 이 교정 곡선을 사용하면 알 수없는 농도의 솔루션을 연구 할 수 있습니다. 흡광도 측정은 착색 종의 농도를 결정하는 데 사용됩니다. 이어서, 나머지 반응제 및 제품의 농도를 계산할 수 있다. 다음 절차는 철 티오야네이트 복합체를 형성하기 위해 티오야네이트와 철 3의 반응을 연구할 것입니다.
농도가 결정되면 K의 값을 초기 변경-평형 또는 ICE, 표로 계산할 수 있으며, 이는 결과에 더 설명될 것이다.
이제 분광측정 방법을 사용하여 평형을 일정하게 결정하는 방법을 이해하게 되었으므로 절차를 시작할 준비가 되었습니다.
샘플을 측정하기 전에 교정 곡선을 생성해야 합니다.
우선 증류수를 빈칸으로 사용하여 UV-vis 분광광계를 제로하여 흡수도가 없습니다. 분광계에 큐벳을 삽입할 때, 빛이 투명한 면을 통과하도록 방향을 향하고 액체 수준이 빔의 경로 위에 있는지 확인하십시오.
그런 다음 텍스트 프로토콜에 표시된 바와 같이 각 반응성 솔루션의 표시된 볼륨을 포함하는 5개의 시험관을 준비하여 제품의 다양한 농도를 산출합니다. 각 튜브를 장갑을 낀 손가락으로 덮고 부드럽게 흔들어 섞습니다. 튜브가 10 분 동안 휴식을 취하도록 허용하십시오.
파스퇴르 파이펫을 사용하여 소량의 중농도 시료인 용액 3을 큐벳으로 이송하여 분광계에 놓습니다. 스펙트럼을 획득하고 λ최대(최대 파장), 람다 최대 및 흡광도를 기록합니다. 그런 다음 가장 희석된 용액으로 시작하여 λ max(람다최대)에서 남은 모든 용액의 흡광도를 측정합니다. 모든 측정에 동일한 큐벳을 사용하여 각 샘플 사이에 3번 헹구십시오. 솔루션 2 – 5에 대해 이 프로세스를 반복합니다.
각 용액에 대해 측정된 흡광도와 철 의 농도를 플롯합니다. 데이터에 가장 적합한 줄을 결정합니다. 이 선의 경사는 어금니 감쇠 계수입니다.
이제 표준 솔루션에 대한 데이터가 수집되었으므로 텍스트 프로토콜에 표시된 대로 표시된 볼륨의 솔루션이 포함된 4개의 중간 테스트 튜브를 준비합니다.
각 튜브를 손가락으로 덮고 부드럽게 흔들어 섞습니다. 10분 이상 서 게 하십시오. 이 휴식 기간을 통해 솔루션이 화학 적 평형에 도달 할 수 있습니다.
파스퇴르 파이펫을 사용하여 소량의 용액 6을 큐벳에 전송하고 분광계에 배치합니다. 스펙트럼을 획득하고 미리 결정된 λ 최대값으로 측정된 흡광도를기록한다. 솔루션 7에서 9까지이 프로세스를 반복합니다.
모든 샘플을 측정하면 솔루션 1 – 5에 대한 어모및 흡수성 데이터를 분석할 수 있습니다. 모든 철이 반응하여 분석을 단순화하는 데 많은 초과 티오야네이트가 사용되었습니다.
데이터는 보정 곡선을 만들기 위해 플롯됩니다. 빛의 경로 길이, l은 일반적으로 1cm이며 계산에서 고려할 수 있습니다. 따라서 7600으로 계산된 선의 경사는 감쇠 계수입니다. 시험 용액 6 – 9의 경우, 이 값과 흡수도는 평형에서 철 틸오카네이트 농도를 계산하는 데 사용됩니다. 이 데이터를 사용하면 ICE 테이블을 활용할 수 있습니다.
초기 반응성 농도는 용액에 첨가된 철과 티오카네이트의 알려진 어과어, 반응의 총 부피를 기반으로 한다. 제품은 철과 티오키아네이트의 1:1 반응으로부터 형성되므로 각 제품의 평형 농도는 형성된 제품의 양에 의해 감소합니다. 각 종의 평형 농도는 이제 알려져 있다. 이러한 값은 각 솔루션에 대해 일정한 평형을 계산하는 데 사용됩니다. 값은 대략 연구된 농도의 범위에 걸쳐 일정합니다.
평형 상수의 개념은 과학 분야의 넓은 범위에 중요하다. 평형 상수는 반응이 시간이 지남에 따라 제품을 형성할 정도에 대한 유용한 정보를 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 이 예에서는, 결정 보라색을 포함하는 2개의 반응이 관찰되었다.
첫 번째 용액은 크리스탈 바이올렛과 수산화 나트륨으로 구성되었다. 색상은 보라색에서 무색으로 빠르게 변화하는 것으로 관찰되었습니다. 이 반응은 매우 큰 K 값을 가지고, 제품이 거의 완전히 시간이 지남에 따라 형성 것을 나타내는.
크리스탈 바이올렛은 아세테이트 나트륨으로 반응했다. 이 솔루션은 무기한 보라색 남아 있었다. 이 반응은 K 값이 매우 낮기 때문에 상당한 수준으로 진행되지 않습니다.
마지막으로, 해리상수(특정 유형의 평형 상수)는 단백질 거동을 설명하는 데 사용될 수 있다. 이 예에서, RNA의 구조의 변화는 마그네슘 반응 완충제에서 모니터링되었다.
정제 된 RNA는 마그네슘의 알려진 농도와 용액으로 혼합하고 평형에 도달 할 수 있었습니다. 이어서, 결과 RNA 구조가 플롯되었다.
이 경우, 마그네슘의 높은 농도는 RNA에 반응성 부위가 덜 보호되는 원인이 되어 절반값인 Kd를 생성했습니다.
당신은 단지 일정 평형의 분광 측정에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 맥주-램버트 법에 의해 정의 된 관계, 분광계를 사용 하 여 흡광도에서 농도를 결정 하는 방법, 평형 농도를 사용 하 여 일정 한 평형을 계산 하는 방법.
시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
표 4는 용액 1 – 5용 흡광도 및 농도 데이터를 나열합니다. Fe(SCN)2+의 농도는 Fe3+의 모든 것이 Fe(SCN)2+로 변환된다는 가정 하에 Fe3+의초기 농도로부터 결정되었다. SCN의 큰 초과- 튜브 1 – 5에서 사용되었다이 가정이 사실 개최 되도록.
어금니 [Fe(SCN)2+] 및 흡광도는 도 2에플롯됩니다. 측정된 흡수는 맥주의 법칙에 잘 동의합니다.
표 5는 튜브 6 – 9에 대해 측정된 흡광도 및 계산된 K 값을 나열합니다. K값은 ICE 테이블 방법을 사용하여 결정하였다. 초기 반응성 농도는 Fe3+ 및 SCN의 알려진 어과어를 기반으로하였다- 반응용액 및 반응의 총 부피(10mL). Fe(SCN)2+의 평형 농도는 Fe(SCN)2+의어금니 흡수성에 의해 측정된 흡광도를 나누어 결정하였다. 모든 제품은 Fe3+ 및SCN의1:1 반응으로부터 형성되었기 때문에 Fe(SCN)2+의 평형 농도는 반응의 농도 감소에 해당한다. 표 6은 시험관 6에 대한 프로세스를 나타낸다.
평형 상수는 평형 행의 농도로부터 계산됩니다. 시험관 6의 경우,
평균 K값은 11± 147로, K가 연구된 농도범위에 비해 대략 일정하다는 것을 알 수 있다.
그림 2. 흡수도 대 페(SCN)2+ 에 대한농도의선 그래프.
| 관 | 【Fe(SCN)2+】 (몰/L) | 흡 광도 |
| 1 | 1.00 x 10-5 | 0.10 |
| 2 | 2.00 x 10-5 | 0.20 |
| 3 | 3.00 x 10-5 | 0.25 |
| 4 | 4.00 x 10-5 | 0.32 |
| 5 | 5.00 x 10-5 | 0.42 |
표 4. 흡수도 대 Fe(SCN)2+농도 데이터.
| 관 | 흡 광도 | K |
| 6 | 0.120 | 136 |
| 7 | 0.268 | 161 |
| 8 | 0.461 | 142 |
| 9 | 0.695 | 150 |
표 5. 측정 된 흡광도 값과 티오카네이트와 철 (III)의 반응에 대한 K를 계산.
| 【 Fe3+】 (몰/L) | [SCN–] (몰/L) | 【Fe(SCN)2+】 (몰/L) | |
| 최초의 | 3.57 x 10-4 | 3.57 x 10-4 | 0 |
| 잔돈 | –1.58 x 10-5 | –1.58 x 10-5 | +1.58 x 10-5 |
| 평형 | 3.41 x 10-4 | 3.41 x 10-4 | 1.58 x 10-5 |
표 6. 시험관 6에 사용되는 프로세스를 보여 주는 ICE 테이블입니다.
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Applications and Summary
평형 상수는 반응이 시간이 지남에 따라 제품을 형성하기 위해 진행되는 정도에 대한 유용한 정보를 제공합니다. K의큰 값을 가진 반응은 1보다 훨씬 큰, 충분한 시간 주어진 거의 완전한 제품을 형성합니다(그림 3). K의 값을 1 미만인 반응은 상당한 수준으로 진행되지 않습니다. 평형 상수는 따라서 화학 반응의 타당성의 척도역할을 한다.
그림 3. 이 반응의 평형 상수는 1보다 큽습니다. 반응의 초기 농도가 다르더라도 각 경우에 유색 제품 형태의 상당한 양.
평형 상수는 또한 화학 반응 과정에서 자유 에너지, 엔탈피 및 엔트로피의 변화에 대한 유용한 열역학 정보를 제공합니다. 평형 상수는 반응의 자유로운 에너지 변화와 관련이 있습니다:
반응의 자유로운 에너지 변화는 반응의 엔탈피 및 엔트로피 변화와 차례로 관련됩니다:
K의 온도 의존성을 측정하면 엔탈피 변화 ΔH와 엔트로피 변화 ΔS의 반응을 나타낼 수 있다. 화학자에게 분자 거동패턴에 대한 통찰력을 제공하는 것 외에도 열역학 데이터 테이블을 사용하여 유리한 열역학 적 특성으로 반응을 식별할 수 있습니다. 예를 들어, 다량의 에너지(음수 ΔG 값과 연관된)를 방출하는 레독스 반응은 배터리에 매력적인 후보입니다.
산성 해리반응(Ka 값)에 대한 K값은 열역학적으로 제어되는 산염 염기 반응의 결과를 예측하는 데 유용합니다. 강한 산은 큰 K값과 작은 K값을가진 약한 산과연관된다. pH 지표는 색산및 기초형태를 다른 약한 산이며,pKa(Ka의 음의 베이스-10 logarithm)는 지표의 색 변화가 산 또는 염기로 발생하는 pH를 나타내는 지표의 용액에 첨가된다.
마찬가지로 K값은 목표 pH 값을 달성하기 위해 버퍼 솔루션 준비에 사용됩니다. 약한 산의 pK는 산과 그 컨쥬게이트 염기가 동일한 농도의 용액에 존재하는 pH를 나타낸다. 동일한 양의 약한 산과 그 공조 염기가 용액에 용해되면 용액의 pH는 약한 산의 pK와 같습니다.
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