[일반화학실험] 산화-환원 적정: Fe2+와 Ce4+의 반응

이전에도 적정 실험을 올린 적이 있다. 그때는 산과 염기의 적정 실험이었지만 이번 실험은 전위차를 이용해 적정을 하는 전위차 적정법을 이용한 실험이다.

산화-환원 적정 시 당량점 부근에서 전위가 급변하게 된다. 전위차 적정법이란 이러한 특성을 이용해 당량점을 결정한다. 지시약 없이 기전력을 측정하여 전위 값이 변화하는 것을 토대로 이온의 농도 변화를 측정하고, 전위 값이 급변하는 지점에서 적정의 종점을 판정할 수 있다.

적정이란 결국 농도를 알아내는 방법이다.

 

이번 실험에서는 고체 시료인 황산암모늄철 수화물, (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 에 포함되어 있는 철 (II) 이온의 양을 알아내기 위해 산화-환원 반응을 수행한다. 시료에 대한 산화제는 질산암모늄세륨 (IV), (NH4)2Ce(NO3)6 을 사용한다. 반응에 대한 알짜이온 반응식은 아래와 같다.

 

티스토리.. 네이버 블로그에 비해 수식 입력하기 넘 어려움 ㅠ

 

본 실험에서는 네른스트 방정식을 이용해 전위를 구하게 된다.

네른스트 방정식이란 자유에너지 식에서 유도된 것으로, 아래와 같다.

 

Nernst Equation

 

<실험 방법>

1. 황산암모늄철 용액 25ml와 증류수 25ml를 비커에 넣는다 (농도: 미지의 농도)

2. 전위 측정 장치를 연결하고, 뷰렛에 0.100M 질산암모늄세륨 용액 40ml를 넣고 2ml씩 넣어가며 적정한다.

3. 반복실험 한다.

 

<실험 결과>

실험 결과 그래프

 

1) 결과값

	실험
Fe2+ 용액의 부피 (mL)	25mL
당량점에 도달하는데 사용된 Ce4+ 용액의 부피	9.5mL

 

 

2) 당량점에 도달하는 데 사용된 Ce4+의 몰 수를 계산하여라.

 

Ce4+ 용액이 0.100 M이었으므로

 

x= 0.00095mol

 

3) 황산암모늄철 용액에 들어있는 철의 몰수를 계산하여라.

 

알짜이온 반응식:

 

당량점에서의 세슘 이온 몰수=철의 몰수

0.00095mol = 0.95mmol

 

4) 황산암모늄철 용액의 몰농도를 계산하여라.

 

0.95mmol/0.025L = 38mM

 

5) 다음은 Ce4+로 Fe2+를 적정할 때 변화하는 전위 값을 계산하는 과정이다. 0.100 M의 Fe2+ 용액 25.0 mL를 0.100M Ce4+ 용액으로 적정할 때, 다음 부피의 Ce4+ 용액을 첨가한 후의 전위차를 계산하시오. (참고: 기준전극(Ag/AgCl) 전위= 0.22 V)

 

i) 10.0mL

0.100M Fe2+ 25.0ml --> 0.0025mol Fe2+

0.100M Ce4+ 10.0ml --> 0.0010mol Ce4+

 

[Fe2+] = (처음 철이온의 몰수 - 추가한 철이온의 몰수) / 최종 부피 = (0.0025-0.0010) / 0.035 = 0.0429

[Fe3+] = 세슘이온의 몰수 / 최종 부피 = 0.0010 / 0.035 = 약 0.0286

E= 0.77 - 0.05916 log(0.0429/0.0286)

 

따라서, ΔE = 0.76-0.22= 0.54V

 

ii) 24.5 mL

[Fe2+] = (0.0025-0.00245)/0.0495 = 0.00005/0.0495 = 약 0.00101M

[Fe3+] = 0.00245/0.0495 = 0.0495M

E = 0.77-0.05916 log (0.00101/0.0495) = 약 0.870

따라서, ΔE = 0.870- 0.22 = 0.65V

 

iii) 25.0mL

 

세슘이온과 철 이온( 2가) 의 양이 같으므로 이곳이 당량점이다.

E= (0.77+0.61) / 2 = 1.19V

따라서, ΔE = 1.19-0.22= 0.97V

 

iv) 25.5mL

[Ce3+] = Fe2+의 몰수 / 부피 = 0.0025/ 0.00505 = 0.495M

[Ce4+] = (Ce4+의 몰수 - Fe2+의 몰수) / 총 부피 = (0.00255 - 0.0025) / 0.00505 = 약 0.00990

E = 1.61 - 0.05916 log (0.495 / 0.0099) = 약 1.509

따라서, ΔE = 1.509 - 0.22 = 1.289V