화학량론적 계산 (농도에 관한 기초지식)
-우선 이자료는 무단으로 가져가실수는 없으며 이자료는 분석화학 GRAY.D CHRISTIAN의 저서를 참고 했습니다.
하지만 예제 문제의 경우는 교재의 풀이법과 달리 제가 직접 다른방법으로 좀더 쉬운방법으로 풀었다는 점을 알려드립니다.-
분석화학은 용액의 양과 농도를 다루는데,
이것으로 부터 질량을 계산할수 있고 또한 반대로 질량으로 부터 양과 농도를 계산할 수 있다.
이에 화학량론적인 기초 지식이 필요하며 아래에 기초적인 것들을 다루고자한다.
(2) 용액의 농도
1) 몰농도
몰의 개념은 용액의 농도를 나타내는데 유용하며,
다른용액이 반응하는 부피의 비율을 알려는 분석화학에는 특히 유용하다.
1몰(molar)용액이란 1리터중에 1몰의 물질을 포함하는 용액이라고 정의된다.
즉, 1몰의 용액은 용매중에 1몰의 물질을 녹여서
용량플라스크 속에서 최종적으로 1리터가 될때까지 묽혀서 만든다.
몰= 몰/L X L
= 몰농도 X L
예제) 1.26g의 AgNO3를 250ml의 용량의 플라스크에 넣고 눈금까지 묽혔다.
질산은 용액의 몰농도를 계산하고, 몇 밀리몰의 AgNO3가 녹았는지 계산하라.
-sol) 우선 몰수 계산
1.26g/169.9g/mol = 0.00742mol = 7.42mmol -(답)
이번에는 몰 농도 계산시 M = mol/ L
따라서 0.00742mol / 0.250L = 0.00297 mol/L -(답)
2)노르말농도
많은 물질이 1:1 몰비로 반응하지 않으므로 같은 몰 농도의 용액이 반응할때의 부피는 1:1이 아니다.
이때 당량과 노르말농도의 개념을 도입하면 1:1몰비 반응에 대한 몰농도 계산과 유사한 계산을 할수 있다.
이를위해 노르말농도(N)을 사용하게 된다.
용액의 노르말 농도는 용액 1리터당 물질의 당량(equivalent)수이다.
.........eq ....meq
N = ---- = ------
.........L .......mL
정량분석에서 유용한 농도의 단위로는 노르말농도(N)가 있다.
1노르말의용액은 1당량/L를 포함한다.
그럼 1당량은 무엇인가?
1당량은 아보가드로수의 반응단위에 해당하는 물질의 질량에 상당하며,
따라서 당량수는 몰수와 분자 또는 원자마다의 반응단위수와의 곱으로 주어진다.
그럼 당량무게는 무엇인가?
화학식량을 반응단위수로 나눔으로써 얻어진다.
산이나 염기에서 반응단위수는 산이주거나 염기와 반응하는 양성자(H+)수에따라 결정된다.
한편 산화-환원 반응에서는 산화제에 의해 받거나 또는 환원제에 의해 공급되는 전자의 수에 의존된다.
예로 황산(H2SO4)은 2반응단위의 양성자를 가지며, 1몰마다 2당량의 양성자가 있다.
따라서 당량무게는 98.08g/mol / 2eq/mol = 49.04g/eq 로써
황산용액의 노르말 농도는 그 몰농도의 2배와 같다.
우선
.............................무게(g)
당량수(eq) = ------------------ = 노르말농도(eq/L) X 부피(L)
............................당량(g/eq)
위식 당량수에서 볼수 있듯이 노르말농도의 단위는 eq/L 이다.
좀더 쉽게 내 나름대로 생각해본다면
노르말농도는 g/L / g/eq = eq/L 이다.
그래서 위에서 살펴본경우에 황산용액의 노르말 농도는 그 몰농도의 2배와 같다라고했는데,
그것은 내 나름대로의 생각을 비추어 보면 쉽게 이해가 된다.
자 생각해보자.
노르말농도에서 필자는 g/L / g/eq = eq/L 라고 했다.
위식에서 g/eq는 바로 "당량무게"이다. -->당량무게는 나누어 주는 항에 들어가죠.
그렇다면 황산용액의 경우 당량무게가 49.04 g/eq 이므로 아랫변에 나누어 주는것은
1몰보다 2배가 적은 값이므로 노르말농도에선 아래와 같이 되겠죠
당연히 황산용액의 노르말농도는 그 몰농도의 2배입니다.
예제) 다음 물질의 당량무게를 구하여라
H2C204
당량무게 = g/eq = 90.04/2 =45.02g/eq
당량을 계산하기 위하여 당량무게가 반드시 필요한것은 아니다.
그래서 몰수와 당량수간을 변화시키는 화학량론적 인자 n (unit of eq/mol)을 사용할 필요가 있다.
당량수 = 몰수 x n(eq/mol)
N (eq/L) = M (mol/L) X n(eq/mol)
당량무게를 결정하기 위해서 산화수와 변화보다는 완결된 환원 반쪽반응을 사용해야한다.
산화-화원반응에서는 산화수에만 의존하지 않고 균형된 반쪽 반응을 이용할수있다.
중크롬산 이온이 Cr3+ 로 환원되는 반쪽 반응에서
Cr2O72- + 14H+ +6e- --> 2Cr3+ + 7H2O
여기서 n=6 ( 6전자/mol Cr2O7-)이다. 0.1몰 용액의 농도는
0.1M X 6 (eq/mol) = 0.6N
3) 몰랄농도
유용한 농도단위에 몰랄농도가 있다.
1몰랄의 용액은 1000g의 용매 속에 1몰을 포함한다.
몰랄농도는 어는점내림, 증기압 또는 삼투압과 같이 용액중의 용매1몰마다의
용질 입자수만으로 결정되는 물질의 성질을 물리 화학적으로 측정할 때 편리하다.
몰랄농도는 온도에 의존하지 않으나 몰농도나 노르말 농도는 온도에 의존한다.
(용매의 부피가 온도에 따라 변하므로)
*) 고체시료
ppt(wt/wt) = (용질의 무게g /시료의무게g) x 10³
ppm(wt/wt) = ( " ) x 10³x 10³
ppb(wt/wt) = ( " ) x 10³x 10³x 10³
ppt : parts per thousand
ppm : parts per million
ppb : parts per billion
*) 액체시료
-액체 시료의 경우 결과는 위에서와 같이 무게/무게로 나타내거나,
무게/부피를 기준으로 해서 니티낸다. 후자가 더 일반적이다.
ppt(wt/vol) = (용질의 무게g /시료의 부피ml) x 10³
ppm(wt/vol) = ( " ) x 10³x 10³
ppb(wt/vol) = ( " ) x 10³x 10³x 10³
1ppm= 1000ppb , ppt= g/L , ppm = 10-³g/L
따라서 ppm = 1mg/1L = 10-³g/1L
ppb = 10-³mg/1L
기억) 화학식량 100에서 1ppm = 10-5M , 1ppb = 10-8M
ppm와 몰 농도(mol/L)사이의 대략적인 관계는 분석성분의 화학식량을 100 으로 가정하면 구할수 있다.
1ppm은 10-³g/L이므로 10-5mol/L과 같다. ppb는 10-8mol/L가 된다.
용액의 농도를 나타내는 방법의 하나.
규정농도 ․당량농도라고도 한다. 용액 1ℓ 속에 녹아 있는 용질의 g당량수를 나타낸 농도를 말하며, 기호 N으로 표시한다. 산 ․알칼리의 중화반응 또는 산화제와 환원제의 산화 ․환원반응의 계산 등에 널리 이용된다. 그러나 같은 물질이라도 관여하는 화학반응에 따라 g당량수가 달라지는 경우가 있으므로, 농도의 표시법으로서는 애매한 점이 있다. 예를 들어 과망간산칼륨을 산성용액 속에서 환원제로 반응시키면 망간이 7가에서 2가의 상태로까지 환원되므로, 과망간산칼륨의 식량의 1/5이 1ℓ 속에 포함되는 용액을 1노르말농도로 한다. 그러나 중성에서 반응시키는 경우에는 망간이 7가에서 4가의 상태로 환원된다. 따라서 1ℓ 속에 식량의 1/3을 함유하는 용액이 1노르말농도가 된다.
당량
일반적으로 화학반응에서 화학량론적으로 각 원소나 화합물에 할당된 일정한 물질량.
보통 당량이라 하면 화학당량을 말하며 이것은 화학반응의 성질에 따라 정해진다. 또한 열의 일당량과 같이 물리적으로 에너지의 변화량을 가리키는 경우도 있다. 전기화학당량은 화학당량을 패러데이상수로 나눈 값이다.
