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염소의 제법과 성질
염소는 할로겐 원소 중 하나로 제1차 세계대전 때 독일군에 근무하던 하버 (Harber.하버법창안)가 염소의 유독성과 저장 수송의 편리함에 착안하여 연합군에게 사용한 것이 화학무기의 시초이다. 그후에 수도물의 살균, 면직물, 펄프의 표백제로 쓰이고, 염산, 염료, 유기염소화합물 등의 원료로 사용하였다. 염소는 진한 염산에 이산화 망간을 넣어 가열하거나 표백분에 진한 염산을 반응시켜 얻을 수 있다. 발생된 염소 기체에 꽃잎을 넣어 봄으로써 나타내는 현상을 관찰하여 염소의 성질을 알아보는 내용이다.
2. 탐구 목적
염소기체의 제법과 성질을 이해시킨다
【준비물】염산, 구리선, 색이 있는 꽃잎, 과망간산칼륨(KMnO4), 붉은인, 알코올 램프, 삼각 플라스크, 집기병 3개, 유리판 3개, 안전깔때기, 수산화나트륨,
※ 유의점
① 진한 염산을 다룰 때 손이나 옷에 묻지 않도록 한다.
② 실험 중에도 집기병에 유리판을 덮어서 염소기체가 새어나오지 않도록 한다.
③ 구리줄을 가는 것을 5회 정도 감아서 정렬한 다음 재빨리 집기병 속에 넣도록 한다.
④ 염소기체로 독성이 있으므로 마시지 않도록 주의하고 통풍이 잘되는 곳에서 실험을 한다.
⑤ 여분으로 발생하는 기체는 수산화나트륨 용액에 흡수시킨다.
⑥ 집기병 속에 붉은인을 넣을 때 약포지에 불이 붙을 염려가 있어 주의해야한다.
3. 탐구과정
(1) 삼각 플라스크 속에 과망간산칼륨 10g 을 넣고 안전 깔대기로 진한염산 20 mL를 가한 후 발생되는 염소 기체로 3개의 집기병에 하방치환으로 모아 유리덮개로 덮는다. 이때 발생한 염소기체의 색깔과 확산되는 모양은 ?
☞ 엷은 황록색의 유독성 기체이고 공기보다 무거우므로 아래 부분부터 채워진다.
※ 주의 : 염소는 유독성 기체이므로 코나 입으로 흡입되지 않도록 조심 해야한다.
(2) 3개의 집기병에 필요한 분량이 채워지면 그림과 같이 수산화나트륨이 든 삼각플라스크 용액에 흡수시킨다 .
…(생략)
※ 주의: 염소기체가 나오는 유리관 주둥이를 용액 표면에 닿을 정도로 한다. 닿으면 액체가 역류하기 때문이다.
3) 염소가 들어 있는 첫째 집기병 속에 색깔이 있는 꽃잎을 물에 적셔서 넣어 보자.
▶ 꽃잎의 색깔변화는?
☞ 꽃잎이 탈색된다.
0℃를 기준으로 물 1부피와 염소기체 3부피의 비율로 물에 녹아 담록색의 염소수가 만들어진다. 염소수 안에 들어 있는 하이퍼아염소산(HOCl)은 강한 산화작용이 있어 살균, 표백, 탈색을 할수 있다.
(4) 염소가 들어 있는 둘째 집기병 속에 구리선을 5회 정도 감아서 알코올 램프로 가열 한 후에 즉시 넣어 어떤 현상이 일어나는지 관찰하자.
☞ 구리선은 빨갛게 타서 녹는다
(5) 이 집기병 속에 물을 20mL 정도 넣어보고 어떤 현상이 일어나는지 반응식을 쓰고 설명 해보자.
☞ 구리와 염소가 반응하면 염화구리가 발생한다.
(Cu(s) + Cl2(s) → CuCl2)
CuCl2 (aq) → Cu2+ (aq) + 2Cl- (aq) 의 반응에서 Cu2+이 생성되어 푸른색 용액으로 변한다.
(6) 셋째 집기병에 붉은 인을 떨어뜨리고 곧 유리판으로 덮은 후 일어나는 변화를 관찰하고 화학반응식을 써보자.
☞ 붉은 인은 연기를 내면서 탄다.
P4 + 10 Cl2 → 4PCl5
4. 탐구정리
(1) 염소기체가 공기보다 무거운 기체라는 사실은 어떻게 알 수 있는가?
☞ 염소기체의 비중이 공기 비중보다 3.5배가 높으므로 집기병 아래 부분부터 채워진다.
(2) 염소 기체와 물의 반응을 화학 반응식으로 나타내고 발생기 산소에 대해서 토의 해보자.
☞ Cl2 + H2O → HClO + HCl
HClO → HCl + [ O ]
하이퍼 아염소산은 불안정하여 즉시 분해하여 발생기 산소를 생성한다.
이 발생기 산소는 산화력이 강하여 색소를 산화, 표백한다.
(3) 염소는 알칼리 금속에 잘 녹는지 토의 해 보자.
☞ 2NaOH + Cl2 → NaClO + NaCl + H2O
Ca(OH)2 + Cl2 → CaCl(OCl)?H2O
(4) 금속이나 비금속 또는 수소화합물과 반응하여 염화물을 만드는지 토의 해보자.
☞ Fe + Cl2 → FeCl2 Cu + Cl2 → CuCl2
Sb + Cl2 → SbCl2 P2 + Cl2 → 4PCl5
H2S + Cl2 → 2HCl + S
(5) 염소기체를 만드는 화학반응식을 토의 해 보자.
☞ MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2↑
CaCl(OCl)H2O + 2HCl → CaCl2 + 2H2O + Cl2↑
MnO2 + 2NaCl + 3 H2SO4 →2NaHSO4 + MnSO4 + 2H2O + Cl2 ↑
2NaCl (aq) + 2 H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2 ↑ ( 전기분해)
5. 연구과제
(1) 순수한 염소를 발생시키는 실험장치에 대하여 토의 해보자.
☞ ① 제법 : MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2
6. 참고자료
(1) 염소(Cl2)의 검출방법
2KI + 녹말 + Cl2 → 2KCl + I2 + 녹말
(흰색) (청자색)
염소기체는 물에 적신 요오드화칼륨 녹말종이를 청자색으로 변색시킨다. (염소의 산화성 때문이다.)
(2) 염소기체의 성질
① 공기 보다 무거운 황록색의 유독한 기체로 하방치환으로 포집한다.
② 물에 녹아 염소수가 된다.
Cl2 + H2O → HCl + HClO
이 때 생성되는 하이포염소산(HClO)은 강한 산화력이 있기 때문에 표백작용과 살균작용을 한다. (수도물 소독)
③ 용도 : 상수도 살균, 면직물 표백, 염산 제조에 이용
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