‘오랫동안 꿈을 그리는 사람은 마침내 그 꿈을 닮아간다’-앙드레 말로- 1
환경분석 및 실험
제3강 화학 평형 (1)
박 성 직
1. 서론
• 환경에서 화학평형에 대한 지식은 왜 필요한가?
– 자연수와 오염된 물 속의 각종 성분들 사이의 관계를 정량적 으로 결정하고, 물의 상태변화가 각종 화학종들에 미치는 영향 을 이해하는 데 필요
– 폐수 및 위생매립지 침출수의 처리에 물리-화학적 방법이 보급 되고 있고, 유기․무기화합물들의 환경에서의 거동에 대한 이해 에 있어서 필요
– 유해물질을 제거하기 위한 용수 및 폐수의 최적 처리방법을 평가하고, 폐수가 방류수역에 미치는 영향을 이해하는 데 도움
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1. 서론
• 평형계산의 한계는?
– 수계의 다양한 모든 종들 사이의 관계를 나타내는 평형 계산은 불가능.
– 자연수 속에서의 중요한 반응들의 대부분에 대한 정확한 평형
상수가 구해져 있지 않음. (±0.5%에서부터 ±10%까지 오차)
⇒ 반응이 어느 방향으로 진행할 것인지, 또 그 반응이 어 느 만큼 진행되었을 때 평형에 도달하게 될 것인지는 예측
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2. 평형과 Le Chatelier의 원리
• A + B ⇆ C + D
• Le Chatelier의 원리 : 평형에 있는 반응은 평형을 방해 하는 어떤 힘이나 요인의 효과를 적게 하려는 방향으로 반응을 조절
• K: 평형상수(주어진 온도에서), [ ]: 평형상태에 있는 화
학종의 mol/L 농도
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3. 이온 활동도계수
• 활동도계수(Activity coefficient)?
– 이온화된 물질의 용액 농도가 높아짐에 따라 평형관계에서 그들의 정량적인 효과는 단순히 용액의 몰 농도의 변화만으로 계산한 것보다 점차 작아짐.
– 이 차이를 수정하기 위해 활동도 또는 유효 농도의 개념이 도입.
– 활동도계수 = 활동도/몰농도 (0~1 사이 값을 가짐.)
– 농도가 높아지면 평형의 정량적인 효과는 농도의 변화에 기초하여 계산한 값보다 적어짐.
– 활동도(activity coefficient)를 고려한 평형상수
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3. 이온 활동도계수
• 활동도계수의 계산
– 이온강도(ionic strength)로부터 계산(이온세기는 용액 속의 모든 이온들 사이의 상호작용을 경험적으로 나타낸 것)
– 이온강도가 0.1 M 이하인 묽은 용액의 활동도계수(Guntelberg)
– 이온강도가 0.5 M 인 용액의 활동도 계수(Davies)
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3. 이온 활동도계수
• 예제 4.1) MgCl2 0.01 M과 Na2SO4 0.02 M을 포함하고 있는 용액의 각 이온의 활동도계수와 활동도를 계산하여라.
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4. 간단한 평형문제의 풀이
• 다음 반응에서 전체 유리 잔류염소중의 HOCl의 %를 구하시오.
(단 25℃에서의 평형상수 K=3.7×10-8, pH=7.0)
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4. 간단한 평형문제의 풀이
• 차아염소산과 차아염소산 이온의 비율은 pH에 영향을 받는다. pH 6.8, 평형상수 2.2×10-8에서 HOCl과 OCl-의 비율 (HOCl/OCl-) 은?
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5. 산과 염기
강염기 강산
약염기 약산
완전히 이온화
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5. 산과 염기
• 산과 염기의 이온화
– 강산: KA 값이 매우 커서 용액 속에서 해리되지 않은 산(HA) 은 거의 존재 하지 않음.
– 약산: 일부분만 해리
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5. 산과 염기
• 물의 pH의 중요성
– 대부분의 화학종들 사이의 평형과 응집효과 – 물의 금속 부식 포텐셜
– 물의 생물에 대한 적합성
– 그리고 그 밖의 물의 수질 특성 등에 관계
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5. 산과 염기
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5. 산과 염기
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5. 산과 염기
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5. 산과 염기
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5. 산과 염기
• 산염기의 평형문제 풀이
– 강산:
K
A 값이 매우 큼.• 염소산(HClO4, p
K
A =-7), 염산(HCl, pK
A =-3), 황산 (H2SO4, pK
A =-1.99), 질산(HNO3, pK
A =-1.3)– 강염기:
K
B 값이 매우 큼.• NaOH, KOH, Ca(OH)2
– 산-염기의 평형 문제를 풀 때, 평형상태는 매우 빨리 도달하기 때문에 반응속도는 일반적으로 무시
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5. 산과 염기
• 수중에 NH
4+와 NH
3가 평형상태에 있을 때 25℃, pH=11에서 NH
3로 존재하는 분율(%)은?
– (단, 해리상수 Kb=1.8×10-5, NH3+H2O↔NH4++OH-)
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6. 용해도곱
• 용해도곱
[ Ba
2+][ SO
2-4] = S
2= K
sp= 1×10
-10황산바륨의 용해도
Q. Mg(OH)
2의 용해도는?
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6. 용해도곱
• 공통 이온 효과
– 평형상태와 용해도가 낮은 염의 용액에 공통 이온(common ion)을 첨가했을 때의 효과에 대한 예측
– Ba2+ + SO42- ⇌ BaSO4(
s
)에 BaCl2 첨가• 바륨이온을 첨가하여 바륨 이온 농도를 증가시키면, 동일한 Ksp를 유지하 기 위해서는 황산 이온 농도는 감소되어야 하고 BaSO4의 침전은 증가
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6. 용해도곱
• 이종 이온 효과
– 이종 이온 효과(diverse ion effect)는 아주 조금 녹는 물질들 의 용해도에 이것과 관련이 없는 이온들이 나타내는 역효과
(adverse effect)
– 화학평형에서 아무런 역할도 하지 않으나, 침전시키려는 물질의 용해도를 증가시켜 정량분석을 불가능하게 함.
– 이종 이온 효과는 용해도곱에서 활동도 보정 필요
• CaCO3(
s
)• Ksp = {Ca2+} { CO32-} = γ[ Ca2+]γ[CO32-]
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6. 용해도곱
• Cd
2+를 함유한 산성수용액에 pH를 높여서 침전 제거하 고자 한다. 만약 pH=11일 경우 Cd
2+의 농도(μg/L)는 얼마 인가?
– (단, Cd(OH)2의 Ksp = 4×10-14, Cd 원자량은 112.4)