고3 옥살레이트-철 착화합물 합성과 광화학 반응 실험

Question

일반화학실험에 나오는 유명한 실험이라고 들어서 일단 이렇게 남겨보겠습니다 ㅠㅠ 면접 준비땜에 급해여 ㅠㅠ

저희가 결정까진 제대로 생성했습니다. 아세톤으로 생성물 씻기까지 끝내고 이제 페리시안화 칼륨을 이용한 광반응을 일으킬 차례였는데, 동아리 담당 선생님께서 페리시안화 칼륨 대신 페로시안화 칼륨으로 잘못 구매하셔서... 일단 페로시안화 칼륨으로 해보자고 다같이 결론내리고 실험을 진행했습니다. 실패해도 얻을 게 있겠지 싶어서요. 근데 결과가 세 개 다 진한 파란색 용액으로 변해있었습니다. 이에 검색을 통해 동아리 부원들과 함께 그 이유에 대해 다음과 같이 추론해 봤습니다.

페라시안화 칼륨은 Fe3+가 Fe2+로 환원되며 광학활성을 보이지만, 페로시안화 칼륨은 이미 Fe2+ 형태로 존재하여 광화학 반응이 일어나기 어렵다. 때문에 세 개 모두 파란색으로 변했다.

과학 선생님과 함께 내본 결론인데 어떻게 보이시나요..?

Answer 1

안녕하세요. 질문자님.

이중철 과학기술전문가입니다.🙂

질문하신 내용 잘 읽어보았습니다.

고등학교에서 동아리 활동을 통해 직접 실험하며 깊이 있는 탐구까지 하는 모습이 정말 대단하네요!

면접 준비까지 하신다니, 멋진 미래가 기대됩니다.

저의 전문 식견을 바탕으로 풍부하면서도 쉽고 명쾌하게 답변해 드릴게요! ✨

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1.질문의 요지:

• 옥살레이트-철 착화합물 합성 실험에서, 페리시안화칼륨 대신 페로시안화칼륨으로 잘못 사용했을 때 세 개의 용액이 모두 파란색으로 변한 원인에 대해 질문자님과 동아리 부원들이 추론한 내용이 맞는지 궁금해하시는군요.

2.답변:

• 가장 중요한 점: 질문자님과 동아리 부원들이 추론하신 내용이 매우 정확합니다. 페로시안화칼륨은 이미 철(Fe)이 2+ 상태이므로 광화학 반응이 일어나지 않았으며, 용액이 파란색으로 변한 것은 다른 원인 때문입니다.

3.구체적인 설명 및 근거:

• 이유:

① 광화학 반응 원리 (페리시안화칼륨의 경우):

원래 실험에서 사용하는 페리시안화칼륨(K3​[Fe(CN)6​])은 철 이온이 Fe³⁺ 상태로 존재합니다.

이 용액이 빛(광자)을 받으면, 옥살레이트 이온(C2​O42−​)이 전자를 내주면서 이산화탄소(CO2​)로 산화되고, 페리시안화 이온의 Fe³⁺가 전자를 받아서 Fe²⁺로 환원됩니다.

이 Fe²⁺ 이온은 용액에 남아있는 페리시안화 이온(Fe³⁺)과 반응하여 프러시안 블루(Fe4​[Fe(CN)6​]3​)라는 푸른색의 침전물을 형성합니다.

Fe³⁺+hv→Fe²⁺ (환원)

2Fe³⁺+3C2​O42−​→2Fe²⁺++6CO2​

4Fe³⁺+3[Fe(CN)6​]4−→Fe4​[Fe(CN)6​]3​ (프러시안 블루 생성)

② 실험 실패 원인 (페로시안화칼륨의 경우):

질문자님께서 사용하신 페로시안화칼륨(K4​[Fe(CN)6​])은 이미 철 이온이 Fe²⁺ 상태로 존재합니다.

따라서 빛을 받아도 Fe³⁺로 환원될 필요가 없고, 광화학 반응이 일어나지 않습니다.

4.(참고)실제 사례/대응방안 등:

• 모든 용액이 파란색으로 변한 원인:

  ① 질문자님의 실험에서 '세 개의 용액이 모두 파란색으로 변했다'는 것은 광화학 반응 때문이 아니라, 옥살레이트-철 착화합물 합성 과정에서 이미 철 이온(Fe3+)이 남아있었기 때문입니다.

  ② 옥살레이트-철 착화합물(K3​[Fe(C2​O4​)3​]⋅3H2​O)은 녹색 결정을 띠며, 이 화합물 자체는 안정합니다.

  하지만 합성 과정이 완벽하지 않아 미반응된 Fe³⁺ 이온이 용액에 소량이라도 남아있었다면, 나중에 첨가한 페로시안화칼륨([Fe(CN)6​]4−)의 Fe²⁺와 반응하여 즉시 프러시안 블루 침전물을 형성하게 됩니다.

  ③ 이는 실험 설계와는 다른 반응이지만, "실험 실패를 통해 얻을 게 있다"는 질문자님의 말씀처럼, '반응물 순도'의 중요성을 깨닫고 새로운 가설을 세울 수 있는 좋은 경험이 될 수 있습니다.

• 면접 대비 Tip:

  이 경험을 면접에서 발표할 때는

  단순히 '실험이 실패했다'고 말하는 것보다, "원래 실험을 통해 광화학 반응을 관찰하려 했으나, 잘못된 시약으로 인해 예상치 못한 결과가 나왔습니다.

  이에 저희는 오차의 원인을 분석했고, 시약의 산화 상태에 따라 반응성이 달라진다는 새로운 가설을 세울 수 있었습니다."라고 설명하면 긍정적인 평가를 받을 수 있습니다.

  이는 과학적 사고력과 문제 해결 능력을 보여주는 훌륭한 사례가 될 것입니다.

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궁금증이 조금이라도 해소되셨기를 바랍니다.

이상, 이중철 과학기술전문가입니다.🙂

감사합니다.