가용성

출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA

1. 확장

   이 실험에서는 붕사라고도 하는 사붕산나트륨 12수화물의 포화 용액을 만듭니다. 물에서 붕사는 두 개의 나트륨 양이온과 하나의 테트라보레이트 음이온으로 해리됩니다. 수성 붕사 용액이 포화 상태라는 것은 물인 용매의 양에 대해 붕사인 용존 용질의 최대량을 함유하고 있음을 의미합니다. 추가 솔리드는 용해되지 않는 것처럼 보입니다.

   용해도는 온도에 따라 달라지기 때문에 각 그룹은 서로 다른 온도에서 포화 용액을 생성합니다. 더 많은 붕사가 더 높은 온도에서 용해되어 더 높은 붕사 농도의 용액이 생성됩니다.

   • 실험을 시작하기 전에 실험복, 화학 물질 스플래시 고글, 장갑 등 필요한 개인 보호 장비를 착용하십시오.
   • 강사가 실험 중에 사용할 온도를 할당합니다. 이 온도에 따라 표를 사용하여 포화 용액을 만드는 데 필요한 붕사의 양을 결정합니다.

     온도(°C)	붕사의 양 (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
   할당된 온도에 필요한 붕사의 양을 측정합니다. 예를 들어, 30°C의 온도에는 8g의 붕사가 필요합니다. 실험실 노트에 질량을 기록하십시오. 데이터를 추적하는 데 도움이 되는 이 테이블을 만듭니다.
   표 1: 온도 및 부피 데이터
   할당된 온도(°C)
   붕사 질량 (g)
   시험판	용액 온도(°C)	>0.5M HCl의 부피(mL) 추가
   1
   2
   3
   4
   5
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   .
   • 150mL 비커에 '붕사 용액'이라는 라벨을 붙이고 붕사를 그 안에 옮깁니다. 탈이온수 50mL를 계량하여 비커에 붓습니다. 용액에 마그네틱 교반 막대를 추가하고 핫플레이트에 비커를 설정한 다음 교반 설정을 켭니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
   디지털 온도계 클램프를 사용하여 비커 내부와 교반 막대 위에 디지털 온도계를 고정합니다. 비커를 지정된 온도보다 약 10-20°C 높게 가열합니다. 메모: 10°C 온도가 지정된 학생들은 붕사를 실온에서 녹입니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">
   할당된 모든 온도에 대해 400mL 비커에 200mL의 탈이온수를 추가합니다. 그런 다음 유리 온도계를 물 비커에 넣으십시오. 비커를 핫플레이트에 놓고 물을 할당된 온도보다 20°C 높게 가열합니다. 메모: 10°C 온도가 지정된 학생은 실온의 물을 사용해야 합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">
   250mL Erlenmeyer 플라스크 5개를 'trials 1 to 5'로 표시합니다. 붕사가 용액에 완전히 용해되어 균질하게 보이면 교반 플레이트에서 비커를 제거하고 벤치탑에 올려 지정된 온도로 냉각합니다.
   • 온도에 도달하면 비커를 종이 타월 더미 위에 올려 절연체 역할을 하고 일정한 온도를 유지합니다. 메모: 10°C 온도에 지정된 학생들은 붕사 용액이 들어 있는 비커를 얼음과 물로 채워진 더 큰 비커에 넣어야 합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
   다른 400mL 비커를 '폐기물'로 표시하고 뜨거운 물 5mL를 폐기물 비커에 피펫으로 넣습니다. 이 작업을 여러 번 반복하여 피펫을 예열하고 붕사가 식을 때 피펫이 막히는 것을 방지합니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">
   공책에 붕사 용액의 정확한 온도를 기록하십시오. 그런 다음 비커 상단에서 포화 붕사 용액 5mL를 피펫팅하고 첫 번째 250mL 삼각 플라스크에 분배합니다. 피펫이 비커 바닥에 있는 결정화 붕사와 접촉하지 않도록 하십시오.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">
   붕사 용액이 들어있는 삼각 플라스크에 뜨거운 물 5mL를 피펫팅합니다. 나머지 4개의 플라스크 각각에 대해 이 작업을 반복하여 붕사 용액 5mL와 물 5mL를 추가합니다. 붕사 용액의 온도는 벤치 탑에서 냉각되므로 계속 주시하는 것을 잊지 마십시오. 메모: 5개의 플라스크 각각으로 옮겨진 포화 용액의 온도는 서로 2 – 3 °C 이내여야 합니다. 더 높은 온도에서 작업하는 학생들은 진행하기 전에 용액을 재가열해야 할 수 있습니다.
2. 확장

   이제 포화 용액에 얼마나 많은 붕사가 용해되었는지 확인할 수 있습니다. 붕사가 물에서 어떻게 해리되어 테트라보레이트 이온을 형성하는지 보여주는 화학 반응을 기억하십시오. 테트라보레이트 이온은 염기이기 때문에 중화 반응 후 산과 반응합니다.

   산의 양이 테트라 보레이트 양의 두 배이면 용액이 중화됩니다. 이를 위해 붕사 용액이 중화될 때까지 HCl을 천천히 분배하는데, 이는 산과 염기가 반응하여 물과 소금 및 중성 pH를 형성한다는 것을 의미합니다. pH 지시약인 브로모크레졸 녹색을 사용하여 용액이 중화될 때 pH가 중성일 때 파란색에서 옅은 녹색-노란색으로 변하기 때문에 알려줍니다.

   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
   적정을 시작하려면 먼저 40mL의 탈이온수를 측정하고 삼각 플라스크 중 하나에 추가합니다. 플라스크를 휘젓어 모든 붕사가 용액에 있는지 확인합니다. 다른 4개의 플라스크에 대해 이 작업을 반복합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">
   각 플라스크에 0.1% 브로모크레졸 그린 2-3방울을 추가합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">
   링 스탠드에 뷰렛 클램프를 클립하고 뷰렛이 수직이고 가능한 한 직선인지 확인하면서 클램프에 뷰렛을 고정합니다. 뷰렛의 마개가 닫혀 있는지 확인하십시오.
   • 뷰렛의 열린 끝에 깔때기를 놓고 뷰렛에 탈이온수를 채웁니다. 쓰레기 비커를 뷰렛 아래에 놓고 마개를 열어 뷰렛에서 물을 모두 헹굽니다. 그런 다음 스톱콕을 닫습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
   강사로부터 0.5M HCl을 얻고 뷰렛에 10mL를 붓습니다. 뷰렛 측면의 표시를 가이드로 사용하십시오. 뷰렛의 마개를 열어 모든 HCl이 폐기물 비커로 배출되도록 합니다.
   • 마개를 다시 닫은 다음 뷰렛에 HCl 50mL를 채웁니다. 액체가 뷰렛 끝을 채우고 거품을 제거할 수 있도록 스톱콕을 약간 엽니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-9">
   랩 노트북에 HCl의 초기 볼륨을 기록합니다.
   • 첫 번째 시도의 경우 HCl을 1mL 단위로 붕사 용액에 적정합니다. 용액이 잘 섞였는지 확인하기 위해 각 첨가 후에 플라스크를 부드럽게 휘젓습니다. 메모: 적정이 끝나면 지시약은 용액을 연한 파란색에서 옅은 녹색-노란색으로 바꿉니다. 솔루션이 짙은 노란색으로 변하면 엔드포인트를 통과했음을 나타냅니다.
   • 종점에 도달하면 뷰렛에 남아 있는 HCl의 부피를 기록합니다.
   • 뷰렛에 HCl을 더 넣어 50mL 표시까지 다시 채우고 붕사 용액의 다른 모든 플라스크에 대해 적정을 반복합니다. 각 적정에 사용된 HCl의 최종 부피를 기록해야 합니다.
   • 실험에서 정리하려면 400mL 폐기물 비커를 뷰렛 스파우트 아래에 놓고 뷰렛을 열어 나머지 HCl을 배출합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-14">
   뷰렛에 탈이온수를 채우고 뷰렛을 통해 헹굽니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-15">
   남은 붕사 용액을 사용하여 폐기물 비커의 산을 중화하십시오. 거품이 멈출 때까지 비커를 휘젓습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-16">
   폐기물 비커에 베이킹 소다를 넣고 용액을 휘젓습니다. 베이킹 소다를 계속 추가하고 거품이 멈출 때까지 용액을 휘젓습니다. 메모: 붕사가 대부분의 중화를 수행하기 때문에 버블링이 관찰되지 않을 수 있습니다.
   • 쓰레기 비커의 내용물을 많은 양의 물로 싱크대 아래로 씻어냅니다. 적정에서 나온 붕사와 HCl이 함유된 플라스크는 중화되어 싱크대에 부을 수도 있습니다.
3. 확장
   • 먼저 물에서 붕사 해리에 대한 반응 상수 K_sp를 결정합니다. 적정 종점에 도달하는 데 사용된 평균 온도(섭씨)와 0.5M HCl의 평균 부피를 측정합니다.

     표 2: ΔG, ΔH 및 ΔS 측정

     할당된 온도(°C)	T평균 (°C)	V평균 (mL)	T평균 (K)	1/T평균 (K)	0.5 M HCl의 몰	Na2의 몰 농도 [B4O5 (OH) 4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

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     .
   • 각 온도에 대한 평균 HCl 부피를 갖도록 다른 그룹에서 데이터를 얻습니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "3-3">
   용해도 상수는 붕사와 물의 해리 반응의 화학량론에서 결정됩니다. 반응물은 고체이기 때문에 표현식에 포함되지 않습니다. 모든 테트라보레이트에 대해 두 개의 나트륨 양이온이 형성되기 때문에 나트륨 농도는 테트라보레이트 농도의 두 배라고 가정합니다. 따라서 다음과 같이 표현식을 단순화할 수 있습니다: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   < 데이터 하위 노트 항목 = "3-4">
   테트라보레이트의 농도는 적정의 종점에 도달하고 염기를 중화하는 데 사용되는 HCl의 부피에서 계산할 수 있습니다. HCl의 몰은 HCl의 부피에 용액의 몰 농도를 곱한 것과 같습니다. 1몰의 테트라보레이트를 중화하려면 2몰의 HCl이 필요하기 때문에 테트라보레이트의 몰을 쉽게 계산할 수 있습니다.
   • 테트라보레이트의 농도(포화 용액의 5mL 부피 기준)를 계산하고 반응 상수를 결정합니다. 각 온도에 대해 계산을 반복하고 결과를 비교합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "3-6">
   적정 데이터를 사용하여 각 온도 값에서 Gibbs 자유 에너지 ΔG를 계산하여 붕사의 해리가 자발적 반응인지 여부를 결정합니다. ΔG 표현식을 상기해 보십시오.여기서 R은 기체 상수, T는 켈빈 단위의 용액 온도, K_sp는 반응 상수입니다. 반응 상수와 해당 온도를 사용하여 각 온도에 대한 ΔG를 계산합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "3-7">
   ΔG가 양수이면 반응이 자발적이지 않으므로 반응이 진행되려면 에너지를 반응에 투입해야 한다는 것을 기억하십시오. 그러나 ΔG가 음수이면 반응이 자발적으로 진행됩니다. 일반적으로 이 반응은 저온에서는 자발적이지 않지만 높은 온도에서는 자발적입니다. 이것은 붕사가 실온 이하에서 염 결정 구조 형태를 선호하지만 특정 온도에 도달한 후 용액으로 들어가는 것을 선호한다는 이론을 뒷받침합니다. K_sp를 사용하여 ΔH 및 ΔS를 계산합니다.
   • K_sp 의 자연 로그를 Kelvin에보고 된 1/T 함수로 플로팅합니다. 이 선의 기울기는 -ΔH/R과 같으므로 ΔH를 계산합니다. 선의 절편은 ΔS/R과 같습니다. ΔS를 결정합니다.
   • 이 반응의 엔탈피 변화는 약 90kJ/mol이고 양수이기 때문에 반응은 흡열성이므로 에너지를 흡수합니다. 엔트로피의 변화는 양수이며 약 290 J/mol·K이며, 이는 무질서의 유리한 생산을 나타냅니다. 이것은 소금의 결정 구조가 분해됨에 따라 예상됩니다.