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이온 화합물의 용해도 규칙 결정
 
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이온 화합물의 용해도 규칙 결정

Overview

출처: 닐 에이브람스 박사 연구소 — SUNY 환경과학 및 임업 대학

이온 화합물의 용해도는 질적 분석을 통해 결정될 수 있다. 질적 분석은 화학적 특성및 반응을 사용하여 화학 화합물에 존재하는 양이온 또는 애니메이션을 식별하는 분석 화학의 분기입니다. 화학 반응은 알려진 용해도 규칙에 의존하지만 동일한 규칙은 형성되는 제품을 식별하여 결정할 수 있습니다. 질적 분석은 일반적으로 현대 산업 화학 실험실에서 수행되지 않지만 정교한 계측없이 현장에서 쉽게 사용할 수 있습니다. 질적 분석은 또한 이온 및 순 이온 반응을 이해하고 관찰을 설명하고 최종 결론을 내리기 위해 데이터를 플로우차트로 구성하는 데 중점을 둡니다.

많은 양이온은 유사한 화학적 특성을 가지고, 아니온 대응처럼. 올바른 식별은 솔루션에 존재하는 이온을 체계적으로 식별하기 위해 신중한 분리 및 분석이 필요합니다. 이온을 성공적으로 식별하기 위해 산/염분 특성, 이온 평형, 레독스 반응 및 pH 특성을 이해하는 것이 중요합니다.

거의 모든 원소 및 다원자 이온에 대한 질적 테스트가 있지만, 식별 프로세스는 일반적으로 분석되는 이온의 "클래스"를 아는 것으로 시작됩니다. 양이온 또는 음이온, 원소 또는 다원자, 그룹 또는 기간, 전이 또는 주요 그룹. 이 실험에서는 이온, 양이온 및 음이온의 두 가지 유형이 모두 식별됩니다. 양이온에는 다원자 이온도 포함됩니다.

Principles

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양이온과 음이온을 식별하는 것은 알 수없는 이온과 주어진 반응 사이의 알려진 화학 반응을 기반으로합니다. 때때로, 그것은 긍정적으로 뿐만 아니라 이온을 식별 하는 반응의 부족 수 있습니다. 모든 이온 화합물은 양이온과 애니온으로 구성되며, 두 개의 상이한 이온 화합물 사이에 반응이 발생하면 한 화합물의 양이온이 다른 화합물의 윤막에 정전기적으로 끌리며 새로운 이온 화합물을 형성한다. (참고: 일부 독특한 이온 화합물에는 하나 이상의 양이온 또는 이온이 있습니다. 예를 들어 KNaC4H4O6 또는 (NH 4)2Fe(SO4)2. 이온 화합물의 전체 충전은 여전히 0으로 요약해야합니다.) 반응의 이 모형은 전이, 또는 이중 변위, 반응으로 알려져 있고 아래로 표시됩니다:

w AB(aq) + xCD(aq)yAD(s) + zCB(aq)

분자 반응

여기서 A와 C는 양이온 반응제이고, B와 D는 음이온 반응제이고, 화합물은 각각 w와 x의어금니 비율에 있다. y와 z의어금니 비율을 가진 제품AD(들)CB(aq)도 마찬가지입니다. 반응이 수성 용액에서 발생하면 분자 반응은 이온 반응으로 알려진 무료 이온 및 불용성 제품의 조합으로 기록 될 수 있습니다.

A+(aq) + B-(aq) + C + C+(aq) + D-(aq) →AD(들) + B-(aq) + C+(aq)

이온 반응

이온 반응은 반응에 관여하는 이온뿐만 아니라 참여하지 않는 이온을 모두 나타내며, 관전자 이온으로 알려져 있다. 불용성 제품AD(들)의 형성은 반응 이온을 식별하거나 이러한 이온에 대한 용해도 규칙을 결정하는 데 사용될 수 있다. 모든 경우에, 그물 이온 반응은 이온 반응의 단순화된 형태인 모든 관측의 기초가 되고 반응에 관여하는 이온만을 보여줍니다.

A+(aq) + D-(aq)→ AD(들)

그물 이온 반응

불용성 생성물을 생성하는 화학 반응을 관찰하거나 침전, 그물 이온 반응의 참가자를 위한 마커이다.

반응은 특정 양이온 또는 음이온에 고유할 수 있습니다, 또는 시약의 그룹 또는 클래스 내의 모든 이온에 일반적. 예를 들어, 모든 전이 금속 이온은 황화물 이온, S2-와반응하여 불용성 침전을 형성한다. 많은 알칼리성 지구 금속은 탄산염 또는 인산염 이온의 존재에서 백색 침전수를 형성한다. 용해도 규칙과 화학 반응성 의 조합을 통해 혼합 솔루션으로 보다 선택적 식별 분석을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 아연, 은, 니켈 및 철을 포함하는 용액은 도 1의순서도에 따라 분리될 수 있다. 염화물은 먼저 용액에 첨가되어 은염화물, AgCl을 침전시합니다. 나머지 금속은 모두 수산화에 침전되며, 과잉 수산화는 아연을 재용해합니다. 아연은 칼륨 육각증산염이 있는 상황에서 확인되어 녹색 침전을 형성합니다. 나머지 철분과 니켈 침전은 수집되고 과잉 암모니아가 첨가되어 니켈을 용해시키고 고체 철 복합체가 수집된다. 철분은 산의 존재에 재용해 지고 티오시야네이트 이온으로 확인된다. 니켈은 디메틸리옥시메를 첨가하여 확실하게 식별되며, 고체 적색 침전물을 형성한다.

Figure 1
그림 1. 솔루션 분리의 예제 순서도입니다.

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Procedure

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1. 일반적인 방법

  1. 질적 분석 준비
    1. 반응은 일반적으로 5mL 이하의 부피를 가진 작은 시험관에서 행해지습니다.
    2. 솔루션은 완전히 용해되어야 하며 일반적으로 ~0.1 M의 비교적 희석되어야 합니다.
    3. 시약은 천천히 드롭 와이즈를 추가하고 주의 깊게 관찰해야합니다.
    4. 용해도 규칙을 설정하거나 알 수 없는 이온을 식별하려면 몇 가지 일반적인 "테스트 솔루션"이 필요합니다. 이들은 특정 화학 종 (양이온 또는 음이온)과 구체적으로 반응하는 것으로 알려진 이온을 포함합니다.
      1. 일반적인 솔루션으로는 CaNO3,BaCl2, (NH4)2MoO4,HCl, AgNO3및 NaOH 및 기타 솔루션이 필요에 따라 포함됩니다.
  2. 믹싱
    1. 테스트 튜브를 수직 방향으로 탭하거나 소용돌이시켜 솔루션을 혼합합니다. 코르크 나 스토퍼를 사용하여 용액이 튀는 것을 방지하십시오.
    2. 코르크 나 스토퍼를 제거 한 다음 부드럽게 수조 또는 시원한 불꽃으로 솔루션을 가열하여 반응을 유도합니다. 실험실에 있는 모든 개인에게서 멀리 시험 관을 가리킵니다.
  3. 관찰 및 복구
    1. 상체(반응하지 않는 용액)를 분리하고 원심분리를 사용하여 침전시합니다. 추가 테스트 이온이 추가될 때 더 많은 침전체 형태가 형성되면 반응이 불완전합니다. 더 이상 양식이 침전되지 않는 때까지 테스트 이온을 계속 추가합니다.
    2. 원심분리를 사용하여 침전을 씻고 상체를 붓거나 디캔팅합니다. 물을 더 추가하고 총 세정 과정을 반복합니다.
    3. 진공 여과에 의해 다량의 침전물을 세척하고 필터 용지에서 말린 침전물을 회수하십시오.
    4. 침전물의 형성뿐만 아니라 색상, 두께 (젤라틴, 흐린, 미세), 및 결정 형성과 같은 침전물의 특성을 유의하십시오.
  4. 안전 및 폐기물
    1. 정성적 분석 실험을 수행하면서 항상 안전 안경을 착용하십시오. 장갑은 또한 사용되는 시약 및 형성 된 제품에 따라 필요할 수 있습니다.
    2. 적절한 폐기물 처리 방법을 면밀히 따라야 합니다. 유해한 제품은 여러 개의 반응제가 하나의 용기에 결합될 때 형성될 수 있습니다.

2. 애니온 분석

  1. 인산염, 탄산염, 염화물 및 황화물 이온을 식별; PO43-, CO32 -Cl-, S2-
    1. 인산염
      1. 인산염을 함유한 용액을 추가, PO43-칼슘 이온을 포함하는 다른 용액에, Ca2+. 백색 침전물의 형성은 칼슘 인산염, Ca3(PO4)2의형성을 나타낸다.
      2. 많은 양이온이 칼슘으로 불용성 제품을 형성하기 때문에 보다 구체적인 반응이 가능합니다. Ca3(PO4)2에 H+ (산)를 추가하여 고체를 용해시키고 HPO42-를형성한다. 그런 다음 HPO42-암모늄 몰리비타드, (NH4)2MoO4를결합한다. 양성 검사는 황색 침전암모늄 인산염, NH4)3PO4(MoO3)12(들)를산출한다. 순 이온 반응은 다음과 같습니다.
        3 Ca2 +(aq) + 2 PO43 -(aq) Ca3PO4(들)
        Ca3PO4(들) + 2 H+(aq) → 3 Ca 2+ + 2 HPO42- (aq)
        HPO42-(aq) + 12 (NH4)2MoO4(aq) + 23 H+(aq)
        (NH4)3PO4 (MoO3)12(s) + 21 NH4+(aq) + 12 H2O(l)  
    2. 탄산염
      1. 탄산염은 그룹 1 및 암모늄 양이온의 존재를 제외하고는 일반적으로 불용성이다. 탄산염 함유 용액에 염화칼슘 2방울을 넣습니다. 탄산염 농도가 높은 솔루션에서 백색 침전물 형태는 칼슘 인산염, CaCO3의가능한 형성을 나타낸다. 반응은 인산염 같이 그밖 음약을 포함하여 많은 간섭이 있습니다.
        Ca2+(aq) + CO32-(aq)CaCO3(들)  
      2. 탄산염을 함유하는 용액에 H+ (산)를 추가하, CO32- 기포의 형성은 CO2의존재를 나타내며, CO3-2-를 반응제로 의미합니다. 탄산염 이온은 이산화탄소 가스와 물을 형성하기 위해 강한 산이 있는 베이스로 행동합니다.
        CO32-(aq) + H+(aq) → CO2(g) + H2O(l)
    3. 염화물
      1. 염화물 함유 용액에 은 질산염을 추가합니다. 백색 침전물의 형성은AgCl(들)의형성을 나타냅니다.
        Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(들)
    4. 황화
      1. 황화물을 함유한 용액에 구리 염화물 용액을 추가합니다. 검은 침전물의 형성은 구리 황화물, CuS의 형성을 나타냅니다. 일반적으로, 황화물 이온을 포함하는 용액,S--불용성 금속 황화물을 산출하기 위해 금속 이온과 반응한다.
        S2 - + Cu 2+ → CuS(들). 
        용해도 제품의 값인 KSp = 6.3 x10-36은제품의 높은 불용성을 나타낸다.

3. 양이온 분석

  1. 모든 알칼리 금속(group 1) 및 일부 알칼리성 지구 금속(group 2)은 특정 조건하에서용용성이다.
  2. 거의 모든 그룹 3-13 금속은 황화물, 탄산염, 인산염 및 수산화물의 존재에서 불용성으로 간주됩니다. 침전물의 색상과 유형은 다양합니다.
    1. 크롬 용액을 수산화 용액에 배치합니다. 녹색 침전이 관찰됩니다. 수산화가 있는 +2 금속의 일반적인 반응은 다음과 같습니다.
      M2+ + OH- → M(OH)2(들)
    2. 몇 가지 주목할 만한 예외를 제외하고 용해도만으로 대부분의 금속 이온을 구별할 수는 없습니다.
      1. 은, Ag+,수은, Hg2+또는 납, Pb2+ 염화물, 브로마이드 또는 요오드의 첨가는 침전형성을 초래한다.
      2. 스트론튬, Sr2+,바륨, Ba2+,수은, Hg2 2+또는 납, Pb2+ 황산염의 존재시 침전을 초래합니다.
      3. Ba2+ CrO42-BaCrO4(들)의존재에 노란색 고체를 형성한다 . 이것은 일반적으로 "바륨 노란색"으로 알려진 오일 기반 페인트에 사용되는 안료입니다.
  3. 금속 이온의 제한된 용해도는 다른 질적 검사를 통해 각 금속을 긍정적으로 식별할 수 있습니다. 어떤 양식침전이 있는 동안, 그 외는 이온 또는 분자의 존재에 있는 독특한 색깔 변경을 겪습니다. 양이온 식별에는 니켈, 철, 알루미늄 및 아연이 포함됩니다. Ni2+,Fe3+, 알3+,Zn2+.
    1. 니켈 (II)을 추가 dimethylglyoxime의 존재 (H2dmg) 장미 붉은 침전니를 형성하기 위해 (H2dmg):
      Ni2 +(aq) + 2 H2dmg(aq) → 니 (Hdmg)2(s) + 2 H+(aq) 
    2. 티오카네이트 이온, SCN에 철 (III)을 추가- 혈액 빨간색 [FeNCS]2 +복합을 형성하려면 :
      Fe3+(aq) + SCN-(aq) → [FeNCS] 2+(aq)
    3. 알루미늄 이온
      1. 알루미늄(III)과 파이로카테콜 바이올렛을 pH 6 암모늄 아세테이트 버퍼 용액에 결합하여 블루 솔루션을 형성합니다.
      2. 알루미늄(III)은 또한 젤라틴-화이트 알(OH)3(들) 화합물을 형성하기위해 약한 기지의 존재하에서 침전된다. 더 많은 염기의 첨가는 화합물이 명확하고 무색 [Al(OH)4]-(aq) 수용성 복합체를 형성하게 한다.
    4. 아연 이온
      1. 소량의 베이스에 아연(II)을 추가하여 흰색 침전을 형성합니다. 그런 다음 더 많은 베이스를 추가하여 침전을 재용해 내고 용해성 [Zn(OH)4]2-복합체를 형성한다.
      2. 탄화 (II)를 칼륨 육각형에 추가, K4[Fe (CN)6] 밝은 녹색 침전K2Zn3[Fe (CN)6]2(들)
        3 Zn2 +(aq) + 2 K4[Fe (CN)6](aq)K2Zn3[Fe (CN)6]2(들) + 6 K+(aq)  

이온 화합물의 용해도 특성에 대한 추세는 이온 용액의 질적 분석에 사용될 수 있다. 화합물이 이온 용액의 혼합물에 추가되면 많은 제품이 서로 다른 용해도 특성을 가진 제품을 형성할 수 있습니다. 하나의 제품만 용해되지 않으면 단독으로 솔루션을 남깁니다. 순차적 반응을 수행함으로써 용액의 이온을 체계적으로 식별하고 격리할 수 있습니다.

원소 분석을 위해 다양한 분석 기기가 존재하지만, 기술은 종종 시간이 많이 걸리거나 실험실 간에 샘플을 운반해야 합니다. 용해도 특성 검사와 같은 질적 분석 기술은 분석을 위한 빠르고 접근 가능한 사전 스크리닝 방법입니다.

이 비디오는 이온 화합물의 용해도 특성을 소개하고, 이온 화합물을 선택적으로 침전시키는 절차를 시연하고, 산업 설정의 용해도 추세를 사용하여 질적 분석의 몇 가지 응용 을 소개합니다.

이온 화합물은 양이온 및 애니온으로 구성됩니다. 두 개의 상이한 이온 화합물 사이에서 반응이 발생하면, 한 화합물의 양이온은 다른 화합물의 윤막에 정전기적으로 끌리며 새로운 화합물을 형성한다. 반응에 참여하지 않는 이온은 관전자 이온이라고 하며 그물 이온 반응에서 생략된다. 이온 화합물이 용해되면 용매 분자와 가역적으로 상호 작용하고 이온이 해리됩니다. 이온과 새로운 이온 간의 상호 작용이 이온과 용매 분자 사이의 상호 작용이 더 강한 경우, 제품이 고체 상에 있는 것이 더 유리할 것이다. 용액으로부터 고체 제품의 형성을 침전이라고 하며 고체는 침전소라고 합니다.

이온은 불용성 침전물로 반응을 유도하여 용액으로부터 선택적으로 분리될 수 있다. 이러한 반응을 설계하기 위해 양이온 및 음이온은 용해도 추세에 따라 광범위한 범주에 할당됩니다. 양이온은 그들의 용해성 반응 제품에 일반적인 음이온을 확인해서 그룹화되고, 음이온은 마찬가지로 일반적인 양이온에 의해 그룹화됩니다. 이러한 일반적인 이온의 솔루션은 이러한 그룹에 대해 테스트하는 데 사용됩니다.

분리가 동일한 그룹에 속하는 이온에 대해 요구되는 경우, 특수 시약 또는 농축 된 용액은 해당 그룹의 이온이 분리되면 선택적 반응을 유도하는 데 사용될 수 있다. 이러한 특수 시약은 격리된 이온의 ID를 확인하는 데도 사용할 수 있습니다. 이제 이온의 질적 분석의 원리를 이해하게 되었으므로 인산염용 용액을 분석하는 기술을 살펴보고 금속 양이온혼합물을 분리하는 절차를 살펴보겠습니다.

인산염용 용액을 분석하려면 먼저 수성 칼슘, 암모늄 정형외, 농축 된 질산의 희석 테스트 솔루션을 준비하십시오. 그런 다음, 시험관에 알 수 없는 용액의 5mL를 놓는다.

알 수 없는 용액에 칼슘 용액을 드롭와이즈로 추가합니다. 백색 침전물의 형성은 칼슘 인산염, 또는 탄산칼슘의 존재를 나타낼 수 있었습니다. 인산염의 존재를 확인하려면 천천히 시험관에 질산을 추가하십시오. 침전물의 용해는 인산수소가 형성되었음을 나타낸다. 가스 기포의 부족은 탄산염이 이산화탄소와 물을 형성하기 위해 산과 반응했기 때문에 탄산염이 존재하지 않는다는 것을 나타냅니다.

마지막으로, 천천히 시험관에 암모늄 정형전을 추가합니다. 암모늄 인산염은 황색 침전물로서 형성되어 용액에 인산염의 존재를 확인합니다.

먼저 텍스트 프로토콜에 나열된 희석 테스트 솔루션을 준비합니다. 원심분리기에서 사용하기에 적합한 4개의 테스트 튜브와 캡을 획득하십시오. 수성 아연, 니켈, 은, 철 질산염을 하나의 테스트 튜브에 혼합합니다. 분리를 시작하려면 먼저 희석염산을 혼합물에 넣고 부드럽게 소용돌이치게 합니다. 형성하는 백색 침전은 은염화물입니다. 더 이상 양식이 침전되지 않는 때까지 염화물 용액을 계속 추가하십시오.

액체, 또는 상류체, 및 고체 염화물을 원심분리하여 분리합니다. 두 번째 테스트 튜브에 상체를 decant. 실버 염화물을 물로 세 번 씻고 두 번째 테스트 튜브에 씻어 넣습니다. 다음으로, 두 번째 시험관에 수산화나트륨 용액을 드롭와이즈로 추가한다. 백색 아연 수산화, 황색 철 수산화, 녹색 니켈 수산화등 3개의 침전소가 형성됩니다. 고체 백색 아연 화합물이 용해될 때까지 수산화 나트륨을 계속 추가하여 수용성 아연 이온을 형성합니다. 아연 용액과 고체 니켈 및 철 화합물을 원심분리하여 분리한 다음 용액을 제3 시험관으로 분리합니다. 고형물을 물로 세 번 씻고 아연 용액에 각각 을 넣습니다.

아연 수산화가 침전되고 용해될 때까지 세 번째 테스트 튜브의 아연 용액에 염산을 천천히 추가합니다.

그런 다음, 칼륨 육각형을 아연 용액에 드롭와이즈로 추가하여 칼륨 아연 헥사시아노퍼레이를 백색 침전소로 형성합니다. 이제 고체 니켈 수산화 및 수산화철을 포함하는 시험 관에 암모니아를 천천히 추가하여 수용성 블루 니켈 hexammine 이온을 형성합니다. 니켈 용액을 원심분리에 의해 고체 수산화철으로부터 분리하고 니켈 용액을 제4 시험관으로 분해한다. 수산화철을 물로 세 번 씻고 세척을 니켈 용액으로 디감시합니다. 그런 다음 니켈 용액에 디메틸리옥시메를 천천히 추가하여 니켈 디메틸리옥시메를 붉은 침전주로 형성합니다. 고체 수산화철에 농축 염산을 조심스럽게 추가하여 철염화물의 용액을 형성합니다. 철의 존재를 확인하려면, 깊은 붉은 티오야나토아이언 양이온을 형성하기 위해 티오야네이트를 추가합니다.

용액에서 이온의 질적 분석을 수행하는 단순성과 속도는 이 기술을 환경 화학 및 산업에 널리 사용하게 합니다.

물에 칼슘이나 마그네슘과 같은 고농도의 금속 양이온이 포함되어 있을 때, 경수라고 합니다. 이러한 금속 양이온은 탄산염과 같은 물속의 음이온과 반응하여 파이프 나 온온 온수기를 막는 백악침을 형성할 수 있습니다. 물 경도는 물 샘플에 탄산염 용액을 추가하여 평가 될 수있다. 백색 침전물칼은 칼슘의 상부를 나타냅니다.

인산염은 다양한 형태의 생명체에 중요한 영양소이며, 따라서 산업 및 정원 비료 모두에서 사용되지만, 인산염의 과잉은 특히 담수 환경에서 해로울 수 있습니다. 주거 및 상업 지역의 폐수는 질산과 암모늄 정형물을 추가하여 인산염을 테스트할 수 있습니다. 황색 침전은 인산염의 높은 수준을 나타냅니다.

이온에 대한 용해도 규칙에 대한 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 이온 반응의 원리, 솔루션의 질적 분석을 위한 몇 가지 절차 및 용해도를 사용하여 질적 분석의 일부 응용 에 대해 잘 알고 있어야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Applications and Summary

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여기에 표시된 반응은 양이온 또는 음이온 의 클래스의 존재를 식별하거나 특정 이온에 매우 구체적으로 사용될 수 있습니다. 두 시약이 분석에 사용되기 때문에 일반적으로 다른 시약을 사용하여 검사할 수 있습니다. 예를 들어, 은이온을 사용하여 염화물의 존재를 분석하는 대신, 은 이온은 염화물을 사용하여 식별 될 수있다. 강수량의 일반적인 규칙뒤에 특정 착색 또는 강수성 시험의 조합은 유효 유효한 거의 모든 이온, 원자 또는 다원도를 긍정적으로 식별하는 데 사용될 수 있습니다. 동시에, 이러한 규칙의 대부분은 양이온 및 음용성에 대한 규칙의 집합을 생성하기 위해 체계적으로 함께 음이온과 양이온을 반응하여 설정할 수 있습니다.

정성적 분석 및 용해도와 관련된 규칙은 일반 화학 실험실에서 일반적인 실험입니다. 이것은 부분적으로 테스트의 용이성, 속도 및 저렴한 특성 때문입니다. 이러한 이유로 질적 테스트는 현장 기반 분석 및 확인 실험실 테스트에도 사용됩니다. 예를 들어, 지질학 회사는 광산에서 스트림 유출에 상당한 양의 니켈이 존재하는지 알고 싶을 수 있습니다. 디메틸글로시메에 물을 첨가하여 간단한 시험은 니켈 이온을 선택한다. 마찬가지로 수질 당국은 바륨(또는 다른 그룹 2 금속)을 사용하여 물에서 탄산염을 감지하여 수질 경도 수준을 감지할 수 있습니다. 고급 계측은 양적 결과가 요구되거나 다중 이온을 매우 낮은 수준에서 식별해야 하는 경우, 그러나 사용됩니다. 여기에는 다양한 형태의 질량 분광법뿐만 아니라 이온 크로마토그래피 및 가벼운 분광검사가 포함됩니다.

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References

  1. Eaton, A. Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater. Centennial ed. Washington, DC: American Public Health Association (2005).

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