용해도 계산: Fe2+와 OH- 농도 차이 이해하기 (chemistry, solubility, KIO3, pH level, Fe2+, solubility product, unsplash)

질문 요약

일반화학 교재 기출 171에서 KIO3의 IO3- 비율이 문제되지 않는다고 설명하셨는데요. 기출 175번에서는 강물의 pH가 6이어서 OH-의 농도가 10^-8이 됩니다. 그런데 이 농도를 가지고 용해도 곱을 계산하면 Fe2+의 농도가 1.64x10^2가 나오는데, 물에서의 OH- 농도를 용해도 곱의 식에 사용하는 대신 [Fe2+] = s를 이용해서 ksp = s•(2s)^2으로 표현하는 것이 맞지 않나요? 기출 171과 175는 다른 상황 아닌가요?

답변 요약

[Fe2+] = s를 이용한 ksp = s•(2s)^2의 식은 순수한 물에서의 용해도를 구하는 방법입니다. 강물에서는 수산화 이온의 농도가 거의 변하지 않기 때문에, 수산화철의 용해도가 약한 산성 조건에서도 크게 증가합니다.

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용해도 계산: Fe2+와 OH- 농도 차이 이해하기

일반화학에서 용해도 계산은 매우 중요한 주제입니다. 특히 특정 이온들의 농도가 어떻게 용해도에 영향을 미치는지를 이해하는 것은 중요한 학습 포인트입니다. 이번 포스트에서는 Fe2+와 OH- 농도의 차이가 용해도 계산에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 알아보겠습니다.

기출 문제 171과 175의 차이점

우선 기출 문제 171과 175를 비교해 보겠습니다. 기출 문제 171에서는 KIO3의 용해도에 대해 다루고 있으며, 여기서 IO3-의 비율이 문제되지 않는다고 설명했습니다. 반면, 기출 문제 175에서는 강물의 pH가 6이어서 OH-의 농도가 10-8 M임을 이용해 Fe2+의 농도를 계산하고 있습니다. 이러한 상황에서, 물에서의 OH- 농도를 용해도 곱의 식에 사용하는 대신 [Fe2+] = s를 이용해 ksp = s•(2s)2으로 표현하는 것이 맞는지에 대해 의문을 제기했습니다.

순수한 물과 강물의 차이

순수한 물에서의 용해도를 구하는 방법은 [Fe2+] = s를 이용해 ksp = s•(2s)2으로 표현하는 것이 맞습니다. 그러나 강물에서는 OH- 이온의 농도가 거의 변하지 않아 수산화 이온(OH-)의 농도 차이가 용해도 계산에 큰 영향을 미칩니다. 이를 이해하기 위해 수산화철(Fe(OH)2)의 용해도 곱 상수(Ksp)식을 살펴보겠습니다.

수산화철 용해도 곱 상수(Ksp)

수산화철의 용해도 곱 상수(Ksp)는 다음과 같이 주어집니다:

\[ K_{sp} = [Fe^{2+}][OH^-]^2 \]

순수한 물에서는 [OH-]의 농도가 10-7 M이고, pH는 7입니다. 따라서 [Fe2+]의 농도를 구하기 위해 위 식을 변형하면 다음과 같습니다:

\[ [Fe^{2+}] = \frac{K_{sp}}{[OH^-]^2} \]

하지만 강물에서는 pH가 6이므로, OH-의 농도는 10-8 M입니다. 이 경우에도 동일한 방식으로 계산하면 됩니다.

강물에서의 Fe2+ 농도 계산

pH가 6인 강물에서 OH-의 농도는 10-8 M이므로, 수산화철의 용해도 곱 상수식을 이용해 Fe2+의 농도를 구해보겠습니다.

수산화철의 Ksp 값은 약 10-14입니다. 이를 이용해 Fe2+의 농도를 계산하면:

\[ [Fe^{2+}] = \frac{10^{-14}}{(10^{-8})^2} = \frac{10^{-14}}{10^{-16}} = 10^2 = 100 \]

따라서 [Fe2+]의 농도는 100 M가 됩니다.

순수한 물에서의 Fe2+ 농도 계산

반면, 순수한 물에서는 OH-의 농도가 10-7 M이므로, 같은 식을 적용하면:

\[ [Fe^{2+}] = \frac{10^{-14}}{(10^{-7})^2} = \frac{10^{-14}}{10^{-14}} = 1 \]

따라서 순수한 물에서 [Fe2+]의 농도는 1 M가 됩니다.

용해도 곱 상수의 변화 이해하기

위의 계산을 통해 알 수 있듯이, OH-의 농도 차이는 Fe2+의 농도에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 강물과 순수한 물에서의 용해도 계산은 다르게 접근해야 합니다. 특히 강물에서는 OH-의 농도가 변하지 않기 때문에, 이를 감안한 계산이 필요합니다.

결론

기출 문제 171과 175는 다른 상황을 다루고 있습니다. 기출 문제 171에서는 IO3-의 비율이 문제되지 않지만, 기출 문제 175에서는 강물의 pH에 따른 OH- 농도를 고려해야 합니다. 특히 pH가 6인 강물에서는 OH-의 농도가 10-8 M이기 때문에, 이를 이용한 용해도 계산이 필요합니다. 이를 통해 Fe2+의 농도를 정확하게 계산할 수 있습니다.

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