040 – 강수

침전은 용해된 이온을 용액 밖으로 끌어내는 가장 간단한 방법이다. 두 가지 맑은 액체를 섞으면 녹지 않는 화합물이 혼합물 속에 현탁된 고체로 나타난다. 수처리 시설에서는 이를 사용하여 폐수에서 인산염과 중금속을 제거하고, 분석 실험실에서는 여기서 연구된 바로 그 반응을 이용하여 칼슘을 중량 분석법으로 정량하며, 이것은 주로 칼슘 옥살레이트로 이루어진 신장 결석을 만드는 것과 동일한 화학 작용이다. 모든 이온성 화합물에는 용해도 한계가 있기 때문에 침전물이 형성된다. 두 용액을 섞어 이온 농도의 곱이 그 한계를 넘어서면, 과량의 성분은 고체로 용액 밖으로 빠져나가는 반면, 가용성 화합물을 이루는 이온들은 용해된 채 보이지 않게 남는다.

침전 반응이 교육에 유용한 이유는 반응이 일어날 때 생성되거나 파괴되는 것이 없기 때문입니다. 고체 물질은 새로 생겨난 것이지만, 그 원자들은 이미 비커 안에 있었습니다. 단지 짝만 바뀌었을 뿐입니다. 이번 실험에서는 빈 50 mL 비커와 빈 10 mL 눈금 실린더의 무게를 재고, 0.2 M 염화칼슘 5 mL와 0.2 M 수산화암모늄 5 mL를 측정하여 각각의 용기 안에 든 용액의 무게를 잰 다음, 두 용액을 섞어 5초 동안 저어주며 흰색 고체가 나타나는 것을 관찰한 뒤, 마지막으로 비커의 무게를 잰다. 혼합하기 전 용기들의 총質量과 혼합한 후의 총질량을 비교하는 것은 질량 보존의 법칙을 직접적으로 검증하는 방법이며, 각 5 mL 분량에 포함된 물질의 양을 통해 생성되었어야 할 고체의 양을 예측할 수 있게 해 준다.

교육 목표

• 실험실 환경 익숙해지기 — 시작하기 전에 저울, 두 개의 시약 디스펜서, 싱크대, 세척병의 위치를 확인하고, 태블릿의 번호가 매겨진 프로토콜에 따라 진행하며 완료될 때마다 각 단계를 확인하십시오.
• 분석저울 사용법 빈 용기의 무게를 재고 그 안에 아무것도 넣기 전에 질량을 기록하며, 디스플레이를 0.01g 단위까지 읽고, 이 실험실에서 보고되는 모든 질량은 직접 측정이 아니라 두 측정값 사이의 차이라는 점을 인식한다.
• 액체 부피 측정 — 10 mL 눈금 실린더에서 5 mL를 취하되, 눈높이에서 메니스커스의 아랫부분을 읽고, 두 번째 시약에 다시 사용할 때 염화칼슘이 옥살산염으로 딸려 들어가지 않도록 실린더를 증류수로 헹굽니다.
• 시약 용액의 준비 및 혼합 측정된 용액을 손실 없이 비커에 옮기고, 두 번째 용액을 조심스럽게 첨가한 다음, 비커를 흔들어 섞는 대신 유리막대로 섞으십시오.
• 침전 반응 관찰 외형의 변화가 일어나는 순간을 묘사하고, 흰색 고체를 용해되지 않은 시약이 아닌 새로운 물질로 식별하십시오.
• 결과에 대한 정량적 해석 기록된 측정값으로부터 물질수지를 세우고, 각 5 mL 분취액에 들어있는 물질의 양과 그로부터 예상되는 침전물의 질량을 계산한 다음, 예측값을 저울이 나타내는 값과 비교하고 차이가 있다면 그 원인을 설명하시오.
• 실험실 안전 및 모범 관행 — 섭취 시 독성이 있는 가용성 옥살산염을 다룰 때는 장갑과 보안경을 착용하고, 벤치 위에 잔류물을 남기는 대신 싱크대에 유리 기구를 헹구십시오.

프로토콜

1. 비커의 초기 무게 측정: 빈 50mL 비커의 무게를 측정하고 그 질량을 기록하십시오.
2. 눈금 실린더의 초기 질량 측정: 비어 있는 10mL 눈금 실린더의 질량을 측정하고 기록하세요.
3. 염화칼슘 측정 (CaCl₂) : 눈금 실린더를 이용하여 0.2M 염화칼슘 용액 5mL를 정확하게 측정한다.
4. 염화칼슘 옮기기: 측정된 염화칼슘 용액을 50mL 비커에 붓습니다.
5. 눈금 실린더 헹구기: 세척 병을 사용하여 눈금 실린더를 증류수로 헹굽니다.
6. 염화암모늄 ((NH₄)₂C₂0₄) : 같은 눈금 실린더를 사용하여 0.2M 옥살산 암모늄 용액 5 mL를 정확히 측정합니다.
7. 염화칼슘 용액의 무게 측정: 염화칼슘 용액이 담긴 비커의 무게를 측정하고 질량을 기록합니다.
8. 암모늄 옥살산 용액의 무게 측정: 눈금 실린더에 담긴 암모늄 옥살산 용액의 무게를 측정하고 기록합니다.
9. 이전 단계에서 수집된 데이터를 사용하여 두 액체의 질량을 계산하십시오.
10. 솔루션 조합: 염화 칼슘 용액이 담긴 비커에 옥살산 암모늄 용액을 천천히 붓습니다.
11. 혼합: 유리 막대로 용액을 5초간 부드럽게 섞습니다. 외관상의 변화를 기록합니다.
12. 최종 무게 측정: 두 반응성 용액 혼합물이 담긴 비커의 무게를 측정합니다.
13. 10단계부터 12단계까지 수집된 데이터를 사용하여, 혼합 액체 2개의 총 질량을 계산하십시오.
14. 액체를 섞기 전과 후의 질량을 비교하고 관찰한 내용을 기록하십시오.

예상 결과

세션 동안 다섯 개의 질량이 기록됩니다. 아래 표는 시뮬레이션의 저울이 측정하여 실행 종료 시 결과 패널에 나타나는 그대로의 측정값과, 각각이 어떤 물리량을 계산하는 데 사용되는지를 보여줍니다.

프로토콜 단계	물체가 측정되었습니다	저울 눈금 (g)	차이에 의해 얻어진 양
1	빈 50 mL 비커	75.0	비커의 용기 무게 맞추기
2	10 mL 눈금 실린더를 비우십시오	50.0	실린더의 용기 중량
7	비커 + 5 mL CaCl₂2 0.2 M	80.04	염화칼슘 용액 5.04 g
8	실린더 + 5 mL (NH4)2C2O4 0.2 M	55.31	옥살산 암모늄 용액 5.31 g
12	비커 + 혼합물, 반응 후	85.35	반응한 혼합물 10.35 g

실험이 기반으로 하는 비교는 마지막 세 행에서 도출됩니다. 혼합하기 전에 두 액체의 무게는 (80.04 − 75.00) + (55.31 − 50.00) = 5.04 + 5.31 = 10.35 g입니다. 혼합 및 반응 후, 비커에는 85.35 − 75.00 = 10.35 g이 담깁니다. 차이는 0.00 g입니다. 용기를 고려하면 전체 시스템에 대해서도 동일한 결론이 도출됩니다. 비워진 실린더는 여전히 그 용기 무게를 유지하므로, 전에는 80.04 + 55.31 = 135.35 g이고 후에는 85.35 + 50.00 = 135.35 g입니다. 질량은 보존되며, 결과 패널에는 그와 함께 가시적인 변화가 기록됩니다. 다음과 같이 50 mL 비커 #A / 옥살산칼슘 / 흰색 침전물.

반응과 관련된 양들

염화칼슘과 수산화암모늄은 복분해(상호 교환) 반응을 일으킵니다. 즉, 양이온과 음이온이 서로 짝을 바꾸며, 가능한 두 생성물 중 하나는 불용성입니다.

CaCl₂₂(aq) + (NH₄)₂C₂O₄(aq) → CaC₂O₄(s) + 2 NH₄Cl(aq)

칼슘과 옥살산염만 참여합니다. 반응의 시작과 끝에 용해된 상태로 남아 있는 이온들을 제외하면 염소(Cl)와 함께 알짜 알칼리 반응식이 됩니다.⁻ 그리고 NH₄⁺ 구경꾼 이온으로:

카²⁺(aq) + C₂O₄²⁻(aq) → CaC₂O₄(s)

각 1인분의 물질량은 n = C × V에서 나옵니다. 염화칼슘의 경우, n = 0.200 mol/L × 0.00500 L = 1.00 × 10^{마이너스 3} 몰, 그리고 동일한 농도와 부피는 동일한 1.00 × 10을 제공합니다^{마이너스 3} 옥살산 암모늄의 몰. 이 방정식은 두 시약을 1:1 비율로 소모하므로, 이 분량들은 정확히 화학량론적이며 어느 시약도 한계 반응물이 아닙니다. 이는 계산에서 고려해야 할 낭비되는 시약이 없음을 의미하기 때문에 의도적으로 선택한 것입니다.

따라서 예상되는 침전물은 m = n × M = 1.00 × 10^{마이너스 3} mol × 128.10 g/mol = 무수 수산화칼슘 0.128 g. 수산화칼슘은 실제로는 찬 수용액에서 일수화물 CaC로 결정화됩니다.₂O₄·H₂O (M = 146.11 g/mol), 200 °C에서 건조한 후가 아니라 여과 후 무게가 0.146 g이 되는 물질. 2.00 × 10^{마이너스 3} 함께 생성되는 염화암모늄의 몰 수는 0.107g에 달하며 용액 속에 보이지 않게 남아 있습니다.

반응 후 비커 속의 화학종	물질량 (몰)	질량 (g)	상태
물	0.555	10.0	액체, 용매
CaC2O4	1.00 × 10마이너스 3	0.128	흰색 고체, 현탁됨
NH4+	2.00 × 10마이너스 3	0.036	해산된, 관중
클−	2.00 × 10마이너스 3	0.071	해산된, 관중
카2+ 그리고 C2O42− 용액 중에 방치된	4.8 × 10−7 각각	0.0001 미만	용해된, 평형 상태에 있는

고체가 나타나는 이유와 그것이 완전히 나타나는 이유

침전이 생성되는지는 이온곱 Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] 옥산칼슘의 용해도곱 상수로, K_SP = 2.3 × 10⁻⁹ 모노수화물의 경우 25 °C에서. 두 개의 5 mL 분취액이 만나는 순간, 각 용질은 10 mL로 희석되었으므로 두 이온 모두 0.100 mol/L이고 Q = 0.100 × 0.100 = 1.0 × 10^-2. 그것은 K보다 큽니다_SP 약 4 × 10 배만큼⁶, 그것이 혼탁 현상이 점진적이지 않고 즉각적으로 나타나는 이유입니다.

동일한 상수가 남겨지는 칼슘의 양을 결정합니다. 1:1 염의 경우, 포화 농도 s는 K의 제곱근입니다._SP, 따라서 s = (2.3 × 10⁻⁹)^1/2 = 4.8 × 10^-5 mol/L이므로, 10 mL의 상층액에는 4.8 × 10이 남아 있습니다.⁻⁷ 몰의 칼슘, 즉 0.06 mg입니다. 이는 1.00 × 10의 0.05 %에 해당합니다.^{마이너스 3} 몰이 덧붙였다: 침전은 1천 분의 1보다 나은 수준으로 정량적이어서, 정확히 그 이유 때문에 이 반응이 중량 분석법에 의한 칼슘 정량에 사용되며 옥살산염이 시료에서 칼슘을 제거하는 신뢰할 수 있는 방법인 것이다.

다른 제품은 그 반대 작용을 합니다. 염화암모늄은 20 °C에서 약 372 g/L까지 용해되므로, 물 10 mL에는 3.7 g의 염화암모늄이 용해될 수 있습니다. 여기서 생성된 0.107 g은 포화도의 3 %에 불과하여 용액에서 분리되지 않습니다. 학생이 알아야 할 두 가지 용해도 규칙은 하나의 비커 안에서 나란히 확인할 수 있습니다. 즉, 알칼리 토금속의 옥살산염은 불용성이며, 모든 일반적인 암모늄염은 용해된다는 것입니다.

전 the total mass cannot change은(는) 문맥에 따라 다음과 같이 번역될 수 있습니다: 1. 과학적/일반적 의미 (질량보존의 법칙): 왜 총 질량은 변할 수 없는가 2. 직역: 왜 전체 질량은 변할 수 없는가

화학 반응은 어떤 원자들이 서로 결합되어 있는지를 재배열할 뿐, 그 이상은 하지 않습니다. 균형 잡힌 방정식의 양쪽에 있는 원자들을 세어보면 권위에 호소하지 않고도 그 요점이 증명됩니다: 반응물인 CaCl₂ 그리고 (NH₄)₂C₂O₄ 함께 1개의 Ca, 2개의 Cl, 2개의 N, 8개의 H, 2개의 C 및 4개의 O를 포함하고, 생성물 CaC₂O₄ 그리고 2 NH₄Cl에는 1개의 Ca, 2개의 C, 4개의 O, 2개의 N, 8개의 H, 그리고 2개의 Cl이 들어 있습니다. 이들은 결합 방식만 다를 뿐 같은 원소들입니다. 각 원자는 고유한 질량을 가지고 있으므로, 겉모습이나 상태가 어떻게 변하든 전체 내용물의 총질량은 일정하게 유지됩니다.

이 특정 반응이 법칙을 이토록 명확하게 보여주는 이유는 생성물 중 어느 것도 기체가 아니기 때문이다. 열린 비커에서 빠져나가는 것이 없으므로 풍선, 마개, 밀봉된 플라스크가 필요하지 않으며 두 총합을 직접 비교할 수 있다. 질량 보존의 법칙 실험에 사용된 것과 같이 이산화탄소를 방출하는 반응은 개방된 실험대 위에서는 질량을 잃는 것처럼 보이며, 저울이 그저 진실을 말해준다고 가정하는 학생들에게 유용한 대비를 이끌어낼 수 있는 — 동일한 결론에 도달하기 전에 밀폐된 시스템에서 실행되어야 한다.

학년별 과제 요약

9~10학년

• 집중 저울 읽기, 질량의 정돈된 표 유지하기, 그리고 말로 화학적 변화 묘사하기.
• 활동 빈 비커와 빈 실린더의 무게를 재고; 5 mL씩 두 번 측정하여 옮기고; 다섯 가지 측정값을 모두 기록하고; 섞기 전 각 액체의 외관과 혼합 후의 외관을 기술하고; 용기 무게를 빼서 각 액체의 질량을 구하고, 두 액체 함께 반응 전후의 무게가 같음을 보이고; 단어를 사용하여 한 문장으로 결론을 말하시오. 촉발시키다 그리고 질량 보존의 법칙 올바르게.

11학년

• 집중 균형 화학 반응식, 몰 계산 및 완전한 질량 수지.
• 활동 분자 및 알짜 이온 반응식을 쓰고 구경꾼 이온의 이름을 명시하며, 각 시약에 대해 $n = C \times V$를 계산하여 반응식이 요구하는 1:1 비율로 존재함을 보이고; 생성되는 수산화칼슘의 질량(0.128 g)과 용액에 남는 염화암모늄의 질량(0.107 g)을 예측하며; 전체 시스템의 질량 수지를 세워 전후로 135.35 g이 됨을 확인하고; 방정식 양변의 원자 수를 세어 질량이 변할 수 없었던 이유를 설명하시오.

12학년 / 대학교 수준

• 집중 용해도 평형과 이온곱 계산.
• 활동 혼합 순간의 이온곱을 계산하고 이를 K와 비교하시오_SP 침전이 정량적임을 주장하고; 용해되어 남아 있는 칼슘의 분율을 결정하여 mg/L로 표현하며; 농도으로부터 각 5 mL 분취량의 예상 질량을 다시 계산하고; 산성 용액에서 수율이 어떻게 변할 것인지, 그리고 칼슘의 중량 분석이 신뢰성을 가지려면 어떻게 수행되어야 하는지 논의하시오.

실험실 필수품

악기

• 저울 (디지털, 0.01g 단위 측정 가능)
• 비커 (50 mL)
• 눈금실린더 (10 mL)
• 유리봉
• 세척병

제품

• 염화칼슘 CaCl₂ 0.2 M (용액, 5 mL)
• 옥살산 암모늄 (NH₄)₂C₂O₄ 0.2 M (용액, 5 mL)
• 증류수 (세척용)