납과 구리는 부식된 배관, 사용된 도금 및 식에(etching)조, 그리고 페인트와 용제의 부주의한 폐기를 통해 폐수로 유입된다. 두 원소 모두 희석이나 생물학적 처리에 의해 소모되지 않으며, 둘 다 저농도에서도 독성을 띤다. 이것이 바로 시립 및 산업용 처리장이 물을 방류하기 전에 화학적으로 용존 금속을 제거하는 이유이다. 표준 방법은 여기서 사용되는 방식과 같다. 즉, 금속과 불용성 염을 형성하는 반대 이온(카운터 이온)을 첨가한 후 고형물을 여과하여 걸러내는 것이다.
그 화학은 용해도에 기반을 둔다. 이온 농도의 곱이 용해도곱 K를 초과할 때 염이 침전된다.SP; 해당 값 아래에서는 용해된 상태로 유지됩니다. 황산납과 탄산구리는 둘 다 매우 난용성이므로, 황산염을 첨가하면 납이 PbSO로 제거됩니다.4 탄산염을 첨가하면 CuCO3로 구리가 제거됩니다.3. 순서는 임의적인 것이 아니다. 탄산염은 구리뿐만 아니라 납도 침전시키므로, 탄산염을 먼저 넣으면 두 금속이 함께 나와 분리할 수 없게 된다. 반면에 황산염은 구리를 용액 상태로 남겨두는데(황산구리는 자유롭게 용해되기 때문이다), 따라서 황산염을 먼저 넣고 탄산염을 나중에 넣으면 두 개의 깨끗한 분획을 얻을 수 있다.
이 실험실에서 여러분은 두 금속을 모두 포함하는 100 mL의 폐수 시료를 처리하게 됩니다. 거름종이의 무게를 달고, 시료에 황산나트륨을 가하여 흰색의 황산납이 생성되는 것을 관찰한 뒤, 이를 거르고 종이의 무게를 다시 달아 침전물의 질량을 얻습니다. 그런 다음 여과액에 탄산칼륨을 가하여 구리를 청록색의 탄산구리로 침전시키고, 거른 후 무게를 다시 잰다. 두 질량으로부터 원래 시료에 납과 구리가 각각 얼마나 들어 있었는지 역산하고, 각각이 얼마나 완전히 제거되었는지 판단하게 됩니다.
교육 목표
실험실 환경 익숙해지기
- 중력 측정대의 장비인 디지털 저울과 칭량 보트, 주걱, 눈금 실린더, 세 개의 삼각 플라스크, 깔때기 및 거름종이를 찾아 사용하십시오.
보호구 착용 및 중금속 안전 취급
- 작업하는 동안 항상 장갑과 보안경을 착용하고, 이 실험실의 모든 용액은 오염된 것으로 취급하십시오.
- 납과 구리가 포함된 폐기물은 하수구에 버려질 경우 심각한 수질 오염과 토양 오염을 유발하며, 독성이 생태계와 인간의 건강에 축적되어 해로울 수 있으므로, 안전한 처리를 위해 별도로 수거합니다.
선택적 침전
- 제거할 금속과 제거하지 않을 금속을 기준으로 침전제를 선택하십시오.
- 두 첨가물의 순서를 정당화하고, 황산염보다 탄산염을 먼저 첨가했을 때 발생할 수 있는 문제를 예측하시오.
중량법 여과 기법
- 깔때기와 거름종이를 조립하고, 거름종이가 깔때기 벽에 밀착되도록 증류수로 적십니다.
- 사용 전 여과지의 질량을 측정하고, 사용 후 여과지와 침전물의 합계 질량을 측정한 다음, 그 차이를 통해 고체의 질량을 구한다.
결과에 대한 정량적 분석
- 염의 몰 질량을 이용하여 침전물의 질량을 몰로 환산하십시오.
- 각 침전 반응의 1:1 화학량론을 이용하여, 원래 시료에 용해되어 있던 금속의 몰수를 구한 다음, 이를 바탕으로 금속의 질량을 구하십시오.
치료의 효과 평가
- 회수된 침전물의 질량을, 첨가된 시약의 최대량으로 생성될 수 있는 최대량과 비교하여, 어떤 종이 제한 요인이었는지 확인하십시오.
- 중량법 분석에서 오차의 원인과 각 오차가 결과에 미치는 편향의 방향을 설명하시오.
프로토콜
황산나트륨 강수.
- 여과지를 무게를 재고 결과표에 질량을 기록하십시오.
- 눈금 실린더로 폐수 100mL를 측정하여 시료를 Erlenmeyer 플라스크 1에 붓습니다.
- 황산나트륨 79.8g (30mL)을 칭량합니다.
- 붕산 나트륨을 1번 플라스크에 넣으십시오.
- 삼각플라스크 1의 내용물을 섞고 용기 바닥에 형성된 침전물을 관찰하십시오.
황산나트륨은 황산납(PbSO4)과 침전물을 형성할 수 있는 능력이 있습니다.
- Erlenmeyer flask 2 위에 깔때기를 올려놓으세요.
- 깔때기에 여과지를 넣으십시오.
- 증류수를 약간 사용하여 필터 페이퍼를 깔때기 벽에 붙이십시오.
- Erlenmeyer 플라스크 1의 혼합물을 Erlenmeyer 플라스크 2에 놓인 여과지에 부어 침전물을 추출하십시오.
- 필터 페이퍼를 10초간 건조한 후, 필터 페이퍼 + 침전물 조립체를 제거하고 무게를 측정합니다. 무게는 결과 테이블에서 확인할 수 있습니다.
- Erlenmeyer flask 2에서 깔때기를 제거하세요.
탄산칼륨 침전
- 탄산칼륨 60.75g (25mL)을 칭량합니다.
- 탄산칼륨을 삼각 플라스크 2에 넣으시오.
- Erlenmeyer 플라스크 2의 내용물을 섞고 용기 바닥에 형성되는 침전물을 관찰하십시오.
탄산칼륨은 구리(CuCO3)와 함께 침전물을 형성할 수 있는 능력이 있습니다.
- Erlenmeyer 플라스크 3 위에 깔때기를 놓으십시오.
- 깔때기에 다른 필터 페이퍼를 올려놓으세요.
- 증류수를 약간 사용하여 필터 페이퍼를 깔때기 벽에 붙이십시오.
- Erlenmeyer flask 2의 혼합물을 Erlenmeyer flask 3에 놓인 여과지로 걸러 침전물을 추출하십시오.
- 필터 페이퍼를 10초간 건조한 후, 필터 페이퍼 + 침전물 조립체를 제거하고 무게를 측정합니다. 무게는 결과 테이블에서 확인할 수 있습니다.
이 두 가지 반응을 이용하여 폐수에서 중금속을 제거할 수 있습니다.
예상 결과
두 가지 침전 현상. 각 금속은 단일 단계의 이중 치환 반응을 통해 제거되며, 각 반응에서 금속 이온과 침전되는 염 사이에는 1:1의 화학량론적 비율이 성립한다:
납2+(aq) + SO42−(수용액) → PbSO4(s) — 조밀하고 하얀 고체
Cu2+(aq) + CO32−(aq) → CuCO3(s) — 청록색 고체
예상 측정값. 아래 수치는 100 mL 시료에 대한 시뮬레이션 보고서에 제시된 값입니다.
| 단계 | 시약 첨가 | 필터 페이퍼 | 종이 + 침전물 | 침전물의 질량 | 외모 |
|---|---|---|---|---|---|
| 납, 플라스크 1 → 2 | 나2그래서4, 79.8 g (30 mL) | 0.5 g | 140.98 g | 140.48 g 황산납4 | 하얀색 |
| 구리, 플라스크 2 → 3 | K2씨오3, 60.75 g (25 mL) | 0.0 g | 54.04 g | 54.04 g CuCO3 | 청록색 |
침전물 질량에서 다시 용해된 금속으로. 몰질량은 M(PbSO4) = 303.26 g/mol 및 M(CuCO3) = 123.56 g/mol. 납(Pb)의 경우:
n(PbSO₄4) = 140.48 g ÷ 303.26 g/mol = 0.463 mol이고, 하나의 PbSO4 Pb 1개를 포함하고 있습니다2+, n(Pb2+) = 0.463 mol이기도 합니다. 따라서 회수된 납의 질량은 0.463 mol × 207.2 g/mol = 95.9 g이며, 100 mL 시료에서의 농도는 0.463 mol ÷ 0.100 L = 4.63 mol/L입니다.
구리에 대해서도 동일한 세 단계: n(CuCO3) = 54.04 g ÷ 123.56 g/mol = 0.437 mol, 따라서 n(Cu2+) = 0.437 mol, 질량은 0.437 mol × 63.55 g/mol = 27.8 g, 농도는 4.37 mol/L이다. 이것이 바로 무게 분석법의 전체적인 원리입니다. 즉, 직접 무게를 잴 수 없는 용액 속의 이온을 알려진 조성의 고체 형태로 포집하여 대신 무게를 측정하는 것입니다.
어느 시약이 한계 시약이었습니까?. 제거가 완전히 이루어졌는지 확인할 수 있으므로 확인해 볼 가치가 있습니다. 첨가된 황산나트륨의 양은 79.8 g ÷ 142.04 g/mol = 0.562 mol의 황산염에 해당하며, 이에 비해 납은 0.463 mol입니다. 즉, 황산염이 약 20 % 정도 과잉 상태이므로, 따라서 사실상 모든 납이 침전되었으며, 의도한 대로 납 분석 결과는 존재하는 납의 양에 의해 제한됩니다. 첨가된 탄산칼륨의 양은 60.75 g ÷ 138.21 g/mol = 0.440 mol의 탄산염에 해당하며, 회수된 구리의 양은 0.437 mol로, 거의 정확히 화학량론적 비율을 이룹니다. 따라서 구리 반응 단계에는 여유가 없습니다. 탄산염이 조금만 부족해도 구리가 남게 되며, 다른 반응에 의해 탄산염이 소모되면 그 결과로 구리 측정치가 낮게 나타납니다.
가는 길에 보게 될 것들. 처리되지 않은 시료는 수화된 구리 색상인 푸른빛을 띱니다.2+; 용액 속의 납(II)은 무색이며 아무런 색도 더하지 않는다. 따라서 납을 침전시키더라도 여과액은 여전히 푸른색으로 남는다—그 색은 납 때문이 아니다. 탄산염 단계가 지나서야, 즉 구리가 고체로 제거된 후에야 물이 투명해진다. 그 진행 과정 자체가 두 번째 처리가 첫 번째 처리가 할 수 없었던 일을 해냈다는 정성적 증거이다.
순서가 중요한 이유, 숫자로 나타내어 설명합니다. 탄산납은 황산납보다 용해도가 훨씬 낮기 때문에, 원래 시료에 탄산염을 첨가하면 두 금속이 함께 침전되어 두 질량을 결합 상태에서 절대 분리할 수 없게 됩니다. 황산을 먼저 첨가하면 여기서 문제가 되는 유일한 차이점인 PbSO4 스란히 녹기 어렵다, 반면에 CuSO는4 매우 잘 용해되기 때문에 황산염 단계는 납에 대해 선택적입니다. 이것이 분석 화학에서 모든 선택적 침전법의 배후에 있는 원리입니다. 즉, 두 이온 간의 용해도곱이 충분히 차이가 나서 서로 분리할 수 있는 시약을 찾는 것입니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
- 집중 침전을 통한 용존 물질의 제거 및 차이법에 의한 칭량.
- 활동 사용하기 전에 각 거름종이를 무게를 달고; 두 침전 과정을 모두 수행하고 각 고체의 색상과 외관을 설명하며; 거르고 무게를 달아, 뺄셈을 통해 각 침전물의 질량을 구하고; 각 단계에서 물의 색상이 어떻게 변하는지 설명하고 그것이 무엇을 나타내는지를 말하시오.
11학년
- 집중 칭량한 고체와 용해된 이온 사이의 정량적 관계.
- 활동 침전 반응식을 분자 반응식과 알짜离子 반응식으로 각각 작성하고 균형을 맞추십시오. 각 침전물의 질량을 몰수로 환산한 후, 원래 시료에 포함된 금속의 질량과 농도로 환산하십시오. 각 단계에서 어떤 시약이 과량으로 존재했는지 결정하십시오. 탄산칼륨을 넣기 전에 황산나트륨을 먼저 넣어야 하는 이유를 설명하십시오.
12학년 / 대학교 수준
- 집중 선택적 침전, 용해도 평형 및 오차 분석.
- 활동 각 침전을 K로 표현하십시오SP 그리고 침전이 완료된 후 용액에 남은 잔류 금속 농도를 계산하고; 탄산염을 사용하여 납을 구리로부터 분리할 수 없는 이유를 정량적으로 설명하며; 구리 단계가 거의 정확히 화학량론적일 때 발생하는 결과를 논의하고, 완전한 제거를 보장하기 위해 얼마큼의 탄산염을 첨가해야 하는지 구체적으로 명시하며; 여기서 얻은 농도를 배출수의 납 및 구리에 대한 규제 한계와 비교하고 그 규모의 차이에 대해 논평합니다.
실험실 필수품
악기
- 디지털 균형
- 계량 접시
- 주걱
- 유리봉
- 깔때기
- 여과지 ×2
- 삼각플라스크 250 mL ×3
- 눈금 메스실린더 (100 mL)
- 증류수 세척병
- 장갑과 보안경
제품
- Pb을 함유한 폐수2+ 그리고 구리2+ (100 mL 시료)
- 황산나트륨, Na2그래서4 (파우더, 79.8 g / 30 mL 사용됨)
- 탄산칼륨, K2씨오3 (파우더, 60.75 g / 25 mL 사용)
- 증류수