1808년 화학의 기적
초기의 화학자들은 많은 반응에 매혹되었다. 아래에 소개되는 2개의 겔 형성 반응은 John Dalton이 물질의 원자설을 제안하고 나서 5 년후, 1808년 교과서 The Chemical Catachim, with Notes, Instructions, and Experiments [Partes, S. (1908) 3rd ed., p. 561, Lackington, Allen, and Company, London]에 실려 있는 내용으로 그 일부를 소개하면 다음과 같다.
『두 개의 포도주 잔에 각각 염화칼슘용액과 탄산칼슘용액을 넣으면 투명한 용액의 색깔을 띠지만 서로 같은 양으로 혼합하면 고체상에 가까운 어떤 물질이 생성되었다.』
『투명한 황산마그네슘을 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 용액에 가하는 순간 고체상의 혼합물이 된다. 두 액상에서 갑작스러운 어떤 고체상이 형성되었다. 이런 현상을 우리는 화학의 기적이라 부른다.』
주의
진한염기를 취급할 때는 얼굴가리개와 보호장갑, 보안경을 착용한다.
준비물
기구 : 큰 시험관 4개. 100 mL 비이거 4개, 스포이드4개
재료 : 탄산칼륨, 염화칼슘, 황산마그네슘, 수산화나트륨(수산화칼륨)
과정
1. 제 1의 겔 : 큰 시험관에 염화칼슘 용액 5 mL을 넣고 탄산칼슘 용액 5 mL를 서서히 첨가하면서 흔들어 준다.
2. 제 2의 겔 : 큰 시험관에 황산마그네슘 용액 5 mL을 넣고 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 용액 5 mL을 서서히 첨가하여 흔들어 준다.
반응
1. 제 1의 반응 : 칼슘 이온은 탄산 이온과 반응하여 수화된 탄산칼슘이 생성된다.
Ca2+(aq) + CO32-(aq) + nH2O ---> CaCO3 nH2O(s)
2. 제 2의 반응 : 마그네슘 이온은 수산화물 이온과 반응하여 수화된 수산화마그네슘이 생성된다.
Mg2+(aq) + 2OH-(aq) + nH2O ----> Mg(OH)2 nH2O(s)
물음
1. 여러분 자신이 1808년대 학생이라 생각하고 위와 같은 실험에서 두 용액을 혼합시킬 때 일어난 현상에 관하여 어떻게 기술할 것인지 간단히 설명하여라
2. 겔에 관해 설명하고 보통 침전과 비교하면 어떤 차이점이 있는가?
3. 4개의 원 시료 고체를 각각 용해시켰을 때의 화학반응식을 나타내어라
4. 위 실험에서 생성된 겔을 산과 반응했을 때 일어난 화학반응식을 적어보아라
풀이
1. 1808년대 학생들은 물질의 입자에 대한 체계적 이론이 없으므로 단지 실험을 관찰하고 일어난 반응의 결과에만 관심을 가졌다. 또한 물질의 화학식, 화학명도 알려지지 않았다. 100년 지난후에 비로서 전자의 발견과 함께 이온의 개념이 정립되기 시작했다.
2. 겔은 입자들 간에 인력이 작용하고 있는 콜로이드로서, 겔 속의 침전물과 물분자 사이에 강하게 수화되어 있는 현상을 말한다. 이러한 것을 히드로겔 이라하며 침전물내 수화되어 있는 물분자가 밖으로 나오는 현상을 시네레시스라 한다. 그러나 침전은 액체속에 있는 미소한 고체가 침적하는 것으로, 용액속에 화학변화에 의해 생기는 반응생성물 또는 용액 속의 용질이 포화에 달하여 세립상의 물질, 혹은 실같은 덩어리 고체로 되어 용액속에 나나타나는 현상을 말한다.
3. CaCl2 ----> Ca2+(aq) + 2Cl-(aq)
K2CO3 ---> 2K+(aq) + CO32-(aq)
MgSO4 ---> Mg2+(aq) + SO42-(aq)
KOH ---> K+(aq) + OH-(aq)
NaOH ---> Na+(aq) + OH-(aq)
4. CaCO3 nH2O(s) + 2HCl ---> CaCl2 + CO2 + (n+1)H2O
겔이 파괴되면서 이산화탄소가 발생한다.
Mg(OH)2 nH2O(s) + 2HCl ---> MgCl2 + (n+2)H2O
겔이 파괴되면서 산과 반응하는 부분에는 투명하게 나타난다.
도움말
1. 용액만들기
(1) 포화 CaCl2 용액 : 물에 75 g을 용해시켜 전체의 부피를 100 mL를 되게 한다.
(2) 포화 K2CO3용액 : 물에 112 g을 용해시켜 전체의 부피를 100 mL를 되게 한다.
(3) 포화 MgSO4용액 : 물에 26 g을 용해시켜 전체의 부피를 100 mL를 되게 한다.
(4) 포화 KOH용액 : 물에 107 g을 용해시켜 전체의 부피를 100 mL를 되게 한다.
(5) 포화 NaOH용액 : 물에 42 g을 용해시켜 전체의 부피를 100 mL를 되게 한다.
2. 용액을 만들 때 열이 발생하므로 온도계를 사용하여 학생들에게 확인시키는 것이 효과적이 다. 이것은 용액을 만들 때 이온과 물분자간에 강한 인력이 작용한 수화에너지 때문이다.
3. 용액을 서로 혼합할 때 가능하면 용액을 냉각시키는 좋다.
참고문헌
L.R. Summerlin, C.L. Borgford, and J.B. Ealy (1988) Chemical Demonstrations, Vol. 2, p. 62, American Chemical Society.
Copyright(c) 2000 EDU Co., Ltd. All rights reserved.
<a href="mailto:gkhong1303@naver.com">gkhong1303@naver.com</a>