일반화학실험 | 13개 시험관의 비밀

 

 

 

TIP

 

 

1. 13가지 미지의 시료를 여러 가지 방법을 자체적으로 계획하여 어떤 물질인지 구별해 낸다. 13개의 시험관에 들어있는 물질의 종류는 이미 알려져 있으며, 어떤 것인지 구별할 수 없는 상태에서 알아내어야한다. 여기서 쓰일 수 있는 방법으로는 냄새나 색깔 등을 이용하여 구별해 내는 물리적인 방법과 각 시료의 화학적인 특성(침전, 반응성 등)이 있다.
2. 미지의 물질을 구별하는 데에는 정량적인 방법과 정성적인 방법이 있는데, 정량적인 방법은 어떤 물질이 얼마만큼 미지의 시료에 들어 있는가를 알아내는 것이고, 정성적인 방법은 들어 있는 물질의 양과는 무관하게 어떤 물질이 들어있는가를 알아내는 것이다. 본 실험에서는 정량적인 측면보다는 정성적인 측면에 더 비중을 둔다.

 

 

 

최근에 원자번호 116인 원소가 만들어졌다는 보고가 있었다. 1940년대 중반에 Seaborg와 McMillan이 transuranic element(우라늄보다 무거운 93번 이상 원소)들을 처음으로 만들고 그 업적으로 1951년 노벨 화학상을 수상한 이래 114번까지의 원소는 빈틈없이 차례대로 만들어졌는데, 이번에는 115번을 건너뛰고 116번이 핵융합에 의해 만들어진 것이다.

 

멘델레예프가 만든 주기율표에서는 원소들이 원자량 순서대로 배열되었다. 그런데 1911년에 러더포드가 원자핵을 발견한지 2년 후, 1913년에 모즐리가 원자핵 속에 들어있는 양전하가 정수값을 가진다는 것을 발견하고 1920년에 러더포드는 원자핵 속의 단위 양전하를 가진 입자를 양성자라고 불렀다. 그리고 보니 모즐리가 발견한 양전하 값은 결국 양성자의 수인 것이 분명해졌다. 그러니까 자연은 원소들을 만들되 원자번호에 빈틈을 남겨두지 않고 1번 수소부터 92번 우라늄까지 골고루 만들었고, 인간은 자연이 아마도 어느 초신성 폭발의 순간에 만들었다가 짧은 반감기 때문에 잃어버린 무거운 원소들을 실험실에서 짧은 순간 동안이나마 만들어서 관찰하는데 성공한 것이다.

 

원소 중 대부분은 자연에 미량으로 존재하는데, 금속 원소 중에는 생체 내에서 중요한 역할을 하는 것들도 많이 있고 반대로 인체에 유해하기 때문에 환경 시료에서 분석을 해야 하는 경우도 많다. 다행히 금속 원소들은 특이한 불꽃반응을 나타내고, 이러한 원리를 이용한 원자분광학(atomic absorption or emission spectroscopy) 방법으로 분석을 할 수 있다. 한편 금속 원소들은 양이온을 만드는데 어떤 양이온은 특정한 음이온과 만나면 용해도곱(solubility product)이 작은 염을 만들어 침전하기 때문에 정성분석이 가능하고, 어떤 양이온은 짙은 색을 나타내는 착이온을 만들기 때문에 정성분석이 가능하기도 하다.

 

어떤 방법을 쓰건 간에 미지시료에 들어있는 원소의 종류를 알아내는 것은 그 원자의 깊숙이 숨어있는 원자핵을 들여다보고, 그 원자핵에 들어있는 양성자의 수를 세는 것이 된다. 본 실험에서는 19세기의 화학자들이 원자핵은 물론 양성자, 전자가 알려지기도 전에 간단한 화학반응을 통해서 어떻게 원소의 종류를 알아내었나를 실감해보기로 한다. 그렇게 하기 위해서는 실험에 쓰이는 양이온 계통에 대해 자세히 분석하여 보고 “원자 세계의 수사”를 위한 치밀한 계획을 세워야 할 것이다.

 

흥미롭게도 양이온 계통분석에 사용되는 scheme과 chloride, sulfide, ammonium hydroxide, carbonate 등의 족을 나누는데 사용된 시약은 퀴리가 라듐과 폴로늄 분리에 사용한 것과 유사하다. 퀴리는 화학 반응을 잘 이해하고 다룰 수 있었기 때문에 수 톤의 피치블렌드로부터 100 밀리그램 정도의 라듐을 원자량을 결정할 수 있을 정도로 순수하게 얻어낼 수 있었던 것이다.

 

물론 양이온 계통분석을 가능하게 하는 용해도곱의 차이는 처음에는 경험적으로 알려졌을 것이다. 그러나 이제는 열역학적 데이터로부터 용해도적을 계산할 수 있다. 그리고 이온 결합의 세기를 대충 예측할 수도 있다. 예를 들면 뼈의 성분인 인산칼슘은 +2가인 칼슘이온과 -3가인 인산이온이 강한 이온 결합을 하는 것으로 볼 수 있다. 닭 뼈를 식초에 담가두면 인산이온이 -3가에서 -2가, -1가로 바뀌면서 물렁물렁해진다. 그리고 +1가인 나트륨이나 칼륨 이온은 누구와도 침전을 만들지 않아서 6족으로 남는다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 용액의 색깔, pH test, 침전 및 착물형성 등의 반응을 통하여 13개의 미지의 시료에 있는 양이온 유무 및 확인을 해본다.

 

2) 주어진 도구로 제한된 시간 내에 각각의 용액이 무엇인지 알아내어야 한다. 각 시험관은 여러 가지의 힌트를 갖고 있다.

 

3) 이것을 토대로 각 시험관에 들어 있는 용액이 무엇인지 알아보기로 한다.

 

4) 13가지 시험관에는 1에서 13까지 번호가 붙어 있으며 각각의 용액은 모두 다른 것이다.

 

5) 이 13개의 시험관에 들어있는 물질은 다음과 같으며 우리가 해야 할 일은 각각의 시험관에 어떤 용액이 들어있는지 알아내는 것이다.

 

6) 이때 사용할 수 있는 방법은 리트머스 종이를 이용한 산성/염기성 감별, 불꽃반응에 의한 특정 원자의 존재 확인, 각각의 용액을 섞어 그 침전을 확인하는 방법이 있다.

 

 

 

[일반화학실험]13개 시험관의 비밀 레포트