지지전해질
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1. 개요
지지 전해질은 전기화학 실험에서 사용되는 물질로, 용액의 전기 전도도를 높이고, 실험에 참여하는 다른 물질들과의 불필요한 반응을 최소화하는 역할을 한다. 지지 전해질은 강전해질, 높은 용해도, 화학적 비활성, pH 안정성, 기체 손실 방지 등 여러 조건을 만족해야 한다. 과염소산나트륨은 높은 용해도와 산화-환원 비활성으로 인해 널리 사용되는 지지 전해질 중 하나이다.
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| 지지전해질 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 정의 | 비산화 환원 활성 및 비착물화 리간드인 전해질 |
| 설명 | 지지 전해질은 용액의 이온 강도를 증가시켜 전기장의 영향을 감소시키고 분석물의 이동 속도를 변경한다. 지지 전해질은 종종 큰 과량으로 첨가되어 분석물의 전기 영동 이동에 대한 전기장의 영향을 최소화한다. 지지 전해질은 전해질 용액의 전도성을 증가시킨다. |
| 관련 정보 | |
| 관련 법칙 | 옴의 법칙: V IR |
| ISBN | 978-0-471-67879-3 |
2. 지지 전해질의 조건
지지 전해질은 다음 조건을 만족해야 한다.
- 수용액에서 완전히 해리되어 전도도가 좋아야 하며, 강전해질이어야 한다.
- 실험 조건에서 용액의 이온 세기를 증가시킬 수 있을 만큼 충분히 용해도가 높아야 한다.
- 용액에 존재하는 다른 용질과 화학적으로 비활성이어야 한다.
- 침전 반응이나 콜로이드 현탁액 형성이 없어야 한다.
- 배위 착물 형성이 없어야 하므로 리간드가 아니고 약한 루이스 염기여야 한다.
- 바람직하지 않은 산화 환원 반응이 없어야 하므로 산화 환원 활성 종이 아니거나 산화 환원 반응이 운동학적으로 강하게 방해받아야 한다.
- 연구하는 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화가 없어야 한다.
- 기체상으로 손실이 없어야 한다.
2. 1. 용해도 및 전도도
지지 전해질이 제 기능을 수행하려면 다음과 같은 조건을 충족해야 한다.- 수용액에서 완전히 해리되어야 하며, 전도도가 좋은 강전해질이어야 한다.
- 실험 조건에서 용액의 이온 세기를 증가시킬 수 있을 만큼 충분히 용해도가 높아야 한다.
- 용액에 존재하는 다른 용질과 화학적으로 비활성이어야 한다.
- 침전 반응이나 콜로이드 현탁액 형성이 없어야 한다.
- 배위 착물 형성이 없어야 하므로 리간드가 아니고 약한 루이스 염기여야 한다.
- 바람직하지 않은 산화 환원 반응이 없어야 하므로 산화 환원 활성 종이 아니거나 산화 환원 반응이 운동학적으로 강하게 방해받아야 한다.
- 연구된 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화가 없어야 한다.
- 기체상으로 손실이 없어야 한다.
2. 2. 화학적 안정성
지지 전해질은 용액에 존재하는 다른 용질과 화학적으로 비활성이어야 한다. 세부적으로는 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.- 바람직하지 않은 산화 환원 반응이 없어야 하므로 산화 환원 활성 종이 아니거나, 산화 환원 반응이 운동학적으로 강하게 방해받아야 한다.
- 연구 대상 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화를 주지 않아야 한다.
- 기체상으로 손실되지 않아야 한다.
2. 2. 1. 침전 및 콜로이드 형성 방지
지지 전해질은 다음 기준을 충족해야 한다.- 수용액에서 완전히 해리되어 좋은 전도도를 가진 강전해질이어야 한다.
- 실험 조건에서 용액의 이온 세기를 증가시킬 수 있도록 용해도가 높아야 한다.
- 용액에 존재하는 다른 용질과 화학적으로 비활성 상태여야 한다.
- 침전 반응이나 콜로이드 현탁액 형성이 없어야 한다.
- 배위 착물 형성이 없어야 하므로 리간드가 아니고 약한 루이스 염기여야 한다.
- 바람직하지 않은 산화 환원 반응이 없어야 하므로 산화 환원 활성 종이 아니거나 산화 환원 반응이 운동학적으로 강하게 방해받아야 한다.
- 연구된 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화가 없어야 한다.
- 기체상으로 손실이 없어야 한다.
2. 2. 2. 착물 형성 방지
지지 전해질은 배위 착물 형성을 방지하기 위해 리간드가 아니어야 하며, 약한 루이스 염기여야 한다.[1]2. 3. 전기화학적 안정성
- 수용액에서 완전히 해리되어 좋은 전도도를 가져야 하며, 강전해질이어야 한다.
- 실험 조건에서 용액의 이온 세기를 증가시킬 수 있을 만큼 충분히 용해도가 높아야 한다.
- 용액에 존재하는 다른 용질과 화학적으로 비활성 상태여야 한다.
- 침전 반응이나 콜로이드 현탁액 형성이 없어야 한다.
- 배위 착물 형성이 없어야 하므로 리간드가 아니고 약한 루이스 염기여야 한다.
- 바람직하지 않은 산화 환원 반응이 없어야 하므로 산화 환원 활성 종이 아니거나, 산화 환원 반응이 운동학적으로 강하게 방해받아야 한다.
- 연구된 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화가 없어야 한다.
- 기체상으로 손실이 없어야 한다.
2. 4. pH 안정성
지지 전해질은 연구 대상 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화를 주지 않아야 한다.[1]2. 5. 기타 조건
지지 전해질이 제대로 기능하려면 다음 기준을 충족해야 한다.- 수용액에서 완전히 해리되어야 하므로 좋은 전도도를 가진 강전해질이어야 한다.
- 실험 조건에서 용액의 이온 세기를 증가시킬 수 있도록 충분히 용해도가 높아야 한다.
- 용액에 존재하는 다른 용질과 화학적으로 비활성 상태여야 한다.
- 침전 반응이나 콜로이드 현탁액 형성이 없어야 한다.
- 배위 착물 형성이 없어야 하므로 리간드가 아니고 약한 루이스 염기여야 한다.
- 바람직하지 않은 산화 환원 반응이 없어야 하므로 산화 환원 활성 종이 아니거나 산화 환원 반응이 운동학적으로 강하게 방해받아야 한다.
- 연구된 용액의 pH에 바람직하지 않은 변화가 없어야 한다.
- 기체상으로 손실이 없어야 한다.
3. 주로 사용되는 지지 전해질
과염소산나트륨(Sodium perchlorate영어)은 지지 전해질로 자주 사용되는 물질이다. 과염소산나트륨은 매우 잘 녹는 염(25°C에서 2096 g/L)으로, 용액의 이온 세기를 최대 8 M까지 증가시킬 수 있다. 또한 배위 착물 리간드가 아니므로 착물 형성 연구에 방해가 되지 않으며, 산화-환원 반응에 영향을 미치지 않는 산화-환원 비활성 종이라는 특징을 가진다.[1]
3. 1. 과염소산나트륨 (NaClO₄)
과염소산나트륨(NaClO₄)은 용해도가 매우 높아(25°C에서 2096g/L) 용액의 이온 세기를 최대 8 M까지 증가시킬 수 있다. 배위 착물 리간드가 아니므로 착물 형성 연구에 방해가 되지 않는다.[1]3. 1. 1. 산화·환원 비활성
과염소산나트륨은 산화·환원 반응에 영향을 주지 않는 산화·환원 비활성 종으로, 용액의 이온 세기를 높이는 배경 전해질로 자주 사용된다. 과염소산염은 고온에서 강력한 산화제로 작용하여 로켓 추진제와 불꽃 놀이에 사용되지만, 수용액에 용해되면 산화력을 나타내지 않는다.[1]과염소산나트륨은 철 이온(Fe2+)을 포함하는 용액과 함께 사용될 수 있다. 이 이온들은 용액이 공기에 노출되면 용해된 산소에 의한 산화에 매우 민감하다.[1]
과염소산염이 물에 용해되었을 때 산화·환원 반응에 영향을 주지 않는 이유는 화학 반응 속도론적 제약 때문이다. 과염소산염의 중심 염소 원자는 +7의 산화 상태를 가지지만, 비생물학적으로 전자를 받아들이는 데 어려움이 있다. 이는 4개의 주변 산소 원자에 의해 중심 염소 원자가 보호되기 때문이며, 과염소산염 음이온의 이온 반경은 요오드화물 음이온의 이온 반경과 거의 같다. 분자 궤도 구성 또한 수용액에서의 높은 불활성에 영향을 줄 수 있다.[1]
일반적으로 중심 원자가 최고 산화 상태에 있는 대부분의 옥시음이온은 더 낮은 산화 상태의 동일한 계열의 다른 옥시음이온보다 약한 산화제이다. 차아염소산염 및 염소산염 음이온은 과염소산염보다 반응 속도론적 제약이 적기 때문에 수용액에서 훨씬 강력한 산화제이다.[1]
3. 1. 2. 반응 속도론적 비활성
놀랍게도, 과염소산나트륨은 산화-환원 반응에 영향을 미치지 않는 산화-환원 비활성 종이다.[1] 화학 열역학적 안정성에서 그 이유를 찾을 수 없는데, 그 이유는 고온에서 환원제와 접촉하면 격렬한 발열 반응으로 많은 양의 에너지를 소모하며 격렬하게 반응하기 때문이다.[1] 물에 용해되었을 때의 산화-환원 불활성 이유는 이 사면체 옥시음이온의 중심 염소 원자의 산화 상태가 +7일지라도, 비생물학적으로 전자를 받아들이는 데 심각한 화학 반응 속도론적 제약이 있기 때문이다.[1] 화학 반응 속도론 측면에서 과염소산염은 산화-환원 반응성을 방해하는 높은 활성화 에너지 때문에 비활성 종이다.[1] 이는 4개의 주변 산소 원자에 의해 중심 염소(+7) 원자가 보호되기 때문에 부분적으로 설명될 수 있다.[1] 과염소산염 음이온의 이온 반경은 요오드화물 음이온의 이온 반경과 거의 같다.[1] 분자 궤도 구성 또한 수용액에서의 높은 불활성에 역할을 할 가능성이 높으며, 일반적으로 중심 원자가 최고 산화 상태에 있는 대부분의 옥시음이온은 더 낮은 산화 상태의 동일한 계열의 다른 옥시음이온보다 약한 산화제이다.[1] 차아염소산염, 염소산염 음이온은 과염소산염보다 적은 전자를 받아들일 수 있지만, 반응 속도론적 제약이 적기 때문에 수용액에서 훨씬 강력한 산화제이다.[1]3. 1. 3. 철(II) 이온과의 사용
과염소산나트륨은 철 이온(Fe2+)을 포함하는 용액과 함께 사용될 수 있다. 철(II) 이온은 용액이 공기에 노출되면 용해된 산소에 의한 산화에 매우 민감하다.[1]그 이유는 화학 열역학적 안정성에서 찾을 수 없는데, 고온에서 환원제와 접촉하면 격렬한 발열 반응으로 많은 양의 에너지를 소모하며 격렬하게 반응하기 때문이다. 물에 용해되었을 때의 산화-환원 불활성 이유는 이 사면체 옥시음이온의 중심 염소 원자의 산화 상태가 +7일지라도, 비생물학적으로 전자를 받아들이는 데 심각한 화학 반응 속도론적 제약이 있기 때문이다.[1] 화학 반응 속도론 측면에서 과염소산염은 산화-환원 반응성을 방해하는 높은 활성화 에너지 때문에 비활성 종이다. 이는 4개의 주변 산소 원자에 의해 중심 염소(+7) 원자가 보호되기 때문에 부분적으로 설명될 수 있다.[1] 과염소산염 음이온의 이온 반경은 요오드화물 음이온의 이온 반경과 거의 같다.[1] 분자 궤도 구성 또한 수용액에서의 높은 불활성에 역할을 할 가능성이 높으며, 일반적으로 중심 원자가 최고 산화 상태에 있는 대부분의 옥시음이온은 더 낮은 산화 상태의 동일한 계열의 다른 옥시음이온보다 약한 산화제이다.[1] 차아염소산염(ClO-) 및 염소산염(ClO3-) 음이온은 과염소산염(ClO4-)보다 적은 전자를 받아들일 수 있지만, 반응 속도론적 제약이 적기 때문에 수용액에서 훨씬 강력한 산화제이다.[1]
참조
[1]
서적
supporting electrolyte
[2]
서적
Analytical Electrochemistry
Wiley VCH
2006
[3]
웹사이트
IUPAC Gold Book - supporting electrolyte
http://goldbook.iupa[...]
[4]
서적
Definition of supporting electrolyte
http://goldbook.iupa[...]
IUPAC Gold Book
[5]
서적
Analytical Electrochemistry
Wiley VCH
2006
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