맥주의 법칙

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

1. 확장

   이 실험실에서는 FeCl₃ 및 NaSCN의 수용액을 결합하여 주황색-빨간색 [Fe(NCS)]²⁺ 복합체를 형성합니다. FeCl₃ 가 물에 용해되면 철 중심은 6 개의 물 분자로 둘러싸여 있습니다. 이 산성 복합체는 물 분자에서 양성자를 쉽게 잃게 되며, 이로 인해 용액에서 수산화철이 침전될 수 있습니다.

   이를 방지하기 위해 솔루션에는 주로 무색 [Fe(H₂O)₆]³⁺ 및 노란색 [Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺에 가까운 철을 용액에 유지하기에 충분한 HNO₃가 포함됩니다. 이 실험실에서는 시작 철 복합체를 총칭하여 Fe³⁺라고 합니다.

   [Fe(NCS)]²⁺ 복합체는 [SCN]-이 철에 대한 다른 그룹과 교환하고 질소가 철과 상호 작용할 때 형성됩니다. 이 교환은 되돌릴 수 있으므로 [Fe(NCS)]²⁺의 형성과 손실 사이에는 전반적인 균형이 있습니다.

   티오시아네이트-철 상호 작용은 [Fe(NCS)]²⁺ 용액에 강렬한 색상을 제공합니다. 궁극적으로 UV-Vis 흡광도 강도를 Beer의 법칙을 사용하여 [Fe(NCS)]²⁺ 복합체의 농도와 관련시킵니다. 이를 통해 [Fe(NCS)]²⁺ 복합파의 평형 농도를 실험적으로 측정할 수 있으며, 이를 통해 전체 공정에 대한 평형 상수를 추정할 수 있습니다.

   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
   실험복, 생활 방수 보안경, 니트릴 장갑을 착용하십시오. 사용할 솔루션은 부식성이 높으므로 취급할 때 주의하십시오.
   • 3개의 150mL 비커를 0'.5 M HNO₃, '1 M FeCl₃ in 0.5 M HNO₃' 및 '0.5 MM NaSCN in 0.5 M HNO₃'로 표시합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
   400mL 비커를 '폐기물'로 표시합니다. 하나의 뷰렛은 '[SCN]-'으로, 다른 뷰렛은 'HNO₃'으로 레이블을 지정합니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">
   400mL 폐기물 비커가 그 아래에 들어갈 수 있도록 뷰렛을 충분히 높게 고정합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">
   50mL 눈금이 매겨진 실린더를 사용하여 디스펜싱 후드의 적절하게 표시된 비커에 100mL의 0.5M HNO₃를 측정합니다. 비커를 시계 유리로 덮고 흄 후드로 다시 가져오십시오.
   • 20mL의 1M FeCl₃를 라벨이 붙은 해당 비커에 넣습니다. 용액의 일부를 후드로 다시 가져오기 전에 스톡 병의 뚜껑이 닫혀 있는지 확인하십시오.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
   0.5mM NaSCN 40mL를 측정하고 라벨이 표시된 해당 비커에 붓습니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">
   100mL 비커에 탈이온수를 라벨을 붙이고 채웁니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">
   두 뷰렛의 마개가 닫혀 있는지 확인합니다. 각 뷰렛에 깔때기를 놓고 둘 다에 탈이온수를 붓습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">
   하나의 뷰렛 아래에 폐기물 비커를 놓고 마개를 엽니다. 물이 빠지면 마개를 닫고 다른 뷰렛으로 이 과정을 반복합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">
   해당 뷰렛에 약 5mL의 0.5M HNO₃를 붓고 배출구 아래에 폐기물 비커를 놓습니다. 마개를 열어 팁을 HNO₃로 채우고 닫기 전에 몇 mL를 배출하십시오.
   • 뷰렛에 약 40mL의 HNO₃를 추가합니다. 눈금은 위에서 아래로 측정되므로 약 10mL 표시까지 채워야 합니다. 메모: 뷰렛에 의해 분배된 부피는 시작 부피와 최종 부피 판독값 간의 차이로 추적됩니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-17">
   폐기물 비커를 [SCN]- 뷰렛 아래에 놓고 HNO₃과 같은 방식으로 팁에 NaSCN 용액을 채웁니다.
   • 나머지 [SCN]- 용액을 뷰렛에 붓습니다. 뷰렛을 부드럽게 두드려 기포를 제거합니다. 뷰렛 팁에 기포가 있으면 마개를 잠시 열어 거품을 씻어냅니다.
   • 플라스틱 파라핀 필름 4개와 알루미늄 호일 2장을 준비하여 설정을 마칩니다.
2. 확장

   정확한 검량선을 만들기 위해서는 표준 용액의 정확한 [Fe(NCS)]²⁺ 농도를 알아야 합니다. 그러나 복합체는 Fe³⁺ 및 [SCN]-과 평형을 이루므로 [Fe(NCS)]²⁺ 복합체 자체만 이 용도로 계산됩니다. 따라서 표준 용액은 0.2M FeCl₃ 를 사용하여 철이 500배에서 2,000배 초과

   되도록 합니다.

   한 아이언을 떠나는 모든 [SCN]은 너무 빨리 다른 아이언을 찾을 수 있으므로 이러한 솔루션에는 사실상 무료 [SCN]이 없습니다. 따라서 [Fe(NCS)]²⁺ 농도가 표준 용액의 초기 NaSCN 농도와 같다고 가정할 수 있습니다.

   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
   50mL 용량 플라스크에 '0.2 M FeCl₃'로 레이블을 지정합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">
   10mL FeCl₃을 부피 플라스크에 분배합니다. 플라스크에 깔때기를 추가하고 약 30mL의 탈이온수를 붓습니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">
   플라스크를 정사각형의 플라스틱 파라핀 필름으로 밀봉하고 여러 번 뒤집어 용액을 완전히 혼합합니다.
   • 일회용 피펫을 사용하여 플라스크에 탈이온수를 라인까지 채우고 나중을 위해 피펫을 보관하십시오. 플라스크를 다시 밀봉하고 여러 번 뒤집어 용액을 혼합합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
   휴대용 분광 광도계를 켜고 흡광도를 측정하도록 설정되어 있는지 확인합니다.
   • 광원이 예열되는 동안 50mL 비커를 알루미늄 호일로 감싸 실험 중에 빛에 민감한 FeCl₃ 용액을 보호합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-9">
   5개의 비커와 5개의 깨끗한 일회용 피펫에 1 - 5를 표시합니다. 재사용할 유리 그릇의 깨끗한 표면으로 종이 타월을 깔아주세요.
   • 솔루션 1 – 5를 준비하려면 따르십시오. 용액 1의 경우 0.2M FeCl₃ 5mL를 비커 1에 첨가한 다음 HNO₃의 뷰렛 아래에 놓습니다.

     표 1: [Fe(NCS)]²⁺ 검량선에 대한 표준 솔루션

     λ최대

     솔루션 #	>0.2 M Fe3+ (mL)	>0.5mM [SCN]- (mL)	>0.5 M HNO3 (mL)	λmax에서의 흡광도	총 부피(mL)	[Fe(NCS)]2+]
     1	5	0	5	솔벤트 블랭크
     2	5	1	4
     3	5	2	3
     4	5	3	2
     5	5	4	1

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     .
   • 뷰렛의 현재 부피를 확인한 다음 정확히 5mL의 HNO₃를 비커에 분배합니다. 용액을 유리 교반 막대와 혼합합니다.
   • 피펫 1을 사용하여 용액 1로 큐벳을 약 75% 채우고 큐벳을 덮습니다.
   • 실험실 물티슈로 큐벳의 투명한 면을 청소하고 분광 광도계에 넣습니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-14">
   배경 측정 - 솔벤트 블랭크를 획득합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-15">
   큐벳을 제거하고 폐기물 비커에 비운 다음 탈이온수로 세 번 헹굽니다. 큐벳 결함과 관련된 오류를 최소화하기 위해 모든 측정에 동일한 큐벳이 사용됩니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-16">
   중간 농도 용액, 샘플 3을 준비합니다. 0.2M FeCl₃ 5mL를 비커 3에 추가합니다.
   • 뷰렛에서 비커로 NaSCN 2mL와 HNO₃ 3mL를 분배합니다.
   • 용액 3을 유리 교반 막대와 혼합한 다음 피펫 3을 사용하여 깨끗하고 건조한 큐벳에 용액 3을 약 75% 채웁니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "2-19">
   투명한 면을 청소하고 분광 광도계에 넣습니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "2-20">
   약 5초 동안 용액의 흡광도를 측정하고 최대 흡광도를 가진 파장을 식별합니다. 이 파장을 실험실 노트에 [Fe(NCS)]²⁺ 복합체에 대한 λ_max로 기록합니다.
   • 분광 광도계를 10초 이상의 평균 판독값으로 설정하고 파장을_{λ max}로 조정합니다. 용액 3의 전체 흡광도 측정을 저장하십시오. λ_max의 흡광도를 실험실 노트에 기록하십시오.
   • 솔루션 2, 4 및 5에 대해 동일한 프로세스를 따릅니다. 용액을 한 번에 하나씩 만들거나 사용할 준비가 될 때까지 준비된 용액을 알루미늄 호일 아래에 보관하십시오.
   • 큐벳에 적절한 용액을 추가하고 흡광도 값을 측정합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-24">
   λ_max에서 모든 흡광도 값을 기록했으면 선형이어야 하는 [SCN]- 부피 대 흡광도 값의 플롯을 스케치합니다. 이상값이 보이면 솔루션을 다시 만들고 다시 시도하십시오.
3. 알 수없는 용액 측정 [Fe (NCS)] ^{2 +} 농도 확장

   실험실의 마지막 부분에서는 철이 40배에서 100배 과도하도록 0.02M FeCl₃ 용액으로 4개의 [Fe(NCS)]²⁺ 용액을 준비합니다. 이러한 농도에서, 철 중심을 떠나는 [SCN]-이 반드시 다른 철 중심을 즉시 찾지는 않을 것입니다. 따라서 [Fe(NCS)]²⁺는 Fe³⁺ 및 [SCN]-과 평형을 이루고 농도는 시작 [SCN]- 농도와 같지 않습니다.

   • 50mL 비커를 폐기물 비커에 비우고 라벨을 제거한 다음 탈이온수로 헹굽니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "3-3">
   비커를 건조시키고 6 – 10으로 다시 레이블을 지정합니다. 또한 5개의 일회용 피펫에 6 – 10으로 레이블을 지정합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "3-4">
   0.2 M FeCl₃ 용액의 부피 플라스크를 폐기물 비커에 비우고 탈이온수로 헹굽니다. 헹궈진 플라스크를 0.02 M FeCl₃ 로 다시 라벨을 붙입니다.
   • 1mL 부피 피펫을 사용하여 1mL의 1M FeCl₃을 부피 플라스크로 옮깁니다. 플라스크에 약 40mL의 탈이온수를 추가합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "3-6">
   플라스크를 플라스틱 필름으로 밀봉하고 여러 번 뒤집어 용액을 혼합합니다. 플라스크를 열고 탈이온수로 라인까지 채웁니다. 플라스크를 다시 밀봉하고 용액을 잘 섞습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "3-7">
   새로운 솔벤트 블랭크인 용액 6을 준비합니다. 0.02 M FeCl₃ 5 mL와 HNO₃ 5 mL를 첨가한 후 교반 막대와 혼합한다.
   • 용액을 큐벳에 피펫팅하고 이전과 같이 백그라운드 측정을 획득합니다.
   • 이전과 마찬가지로 용액 7에서 10까지 준비하고, 스펙트럼을 획득하고, λ_max에서 흡광도 값을 기록합니다. 교반 막대와 큐벳을 각 용액 사이에 탈이온수로 철저히 헹굽니다.

     표 2. 알 수 없는 [Fe(NCS)]²⁺ 농도의 용액

     [FeCl3] 이니셜(M)

     0.01

     솔루션 #	>0.2 M Fe3+ (mL)	>0.5 mM [SCN]- (mL)	>0.5 M HNO3 (mL)	λmax에서의 흡광도	[[Fe(NCS)]2+]eq	[Fe3+]eq	[[SCN]-]eq	Keq (M-1)
     6	5	0	5	솔벤트 블랭크
     7	5	1	4
     8	5	2	3
     9	5	3	2
     10	5	4	1

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     .
   • 완료되면 큐벳, 부피 플라스크 및 비커를 폐기물 비커에 비우고 탈이온수로 헹굽니다.
   • 각각의 비커에서 초과 HNO₃ 및 NaSCN을 수집합니다. 폐기물과 여분의 시약 용액을 베이킹 소다로 중화하고 폐기물과 여분의 FeCl₃ 용액을 적절한 폐기물 용기에 폐기하십시오.
   • 중화된 HNO₃ 및 NaSCN 용액을 수돗물로 배수구로 씻어냅니다.
   • 실험실 표준 절차에 따라 유리 제품과 장비를 세척하십시오.
   • 흄 후드에서 종이 타월과 기타 쓰레기를 모아 실험실 쓰레기통에 버리십시오.
4. 확장
   < 데이터 하위 노트 항목 = "4-1">
   표준 솔루션에서 [Fe(NCS)]²⁺의 농도를 계산합니다. 이러한 용액에서 철 농도는 너무 높아 시작 [SCN]^- 농도가 [Fe(NCS)]²⁺ 농도와 동일하다고 가정할 수 있습니다.
   • 각 시도에 대해 [SCN]^-스톡 농도에 추가된 NaSCN의 부피를 곱하고 이를 총 용액 부피 10mL로 나눕니다. 모든 표준 솔루션에 대해 반복합니다.
   • [Fe(NCS)]²⁺ 농도에 대한 표준 용액에 대한 λ_max에서 흡광도를 플로팅하여 보정 곡선을 만듭니다. 데이터를 피팅하는 선형 함수를 찾고 필요한 경우 y절편 = 0을 설정합니다. 메모: 맥주의 법칙은 흡광도와 농도를 관련시키는 선형 함수로 표현됩니다. 따라서 검량선의 기울기는 몰 감쇠 계수에 큐벳 너비 또는 경로 길이를 곱한 값과 같으며, 이 실험실에서는 1cm였습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "4-4">
   농도를 풀기 위해 선형 방정식을 재정렬합니다. 몰 감쇠 계수와 경로 길이는 모든 시도에서 동일하다는 것을 기억하십시오. 알 수 없는 각 시도에 대한 흡광도를 채우고 해당 용액에 대한 [Fe(NCS)]²⁺의 평형 농도를 풉니다.
   • 용액에서 [Fe(NCS)]²⁺에 대한 평형 상수를 추정합니다. 단순화를 위해 상수를 1/M 단위로 표현하겠습니다.
   • 각 시도에 대한 Fe³⁺ 및 [SCN]^-의 시작 농도를 계산합니다. 각 시험의 시작 시약 농도에서 [Fe(NCS)]²⁺의 평형 농도를 빼서 각 시험의 평형 농도를 결정합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "4-7">
   생성물과 반응물의 평형 농도를 채웁니다. 그런 다음 평형 방정식을 풀어 이 시행에 대한 상수를 추정합니다. 마지막으로, 시행에 대한 상수를 비교합니다.