산소와 거의 접촉이 없는 깊은 지하수 환경에서 철(Fe)은 대부분 Fe(II) 상태로 존재합니다. 이러한 환경에서는 철이 산화되지 않기 때문에 Fe(III)보다 Fe(II)의 화학종이 주요 형태가 됩니다. 지하수 내에서 철은 수산화 이온(OH⁻)과 반응하여 다양한 수산화 착물이나 침전물을 형성합니다. 이 문제는 지하수 환경을 가정하여 철의 거동을 추정하는 데 초점을 맞춥니다. 이와 같은 문제를 통해 환경지질학이나 지하수 수질평가 과정에서 Fe의 주요 화학종과 농도를 정량적으로 예측할 수 있습니다. 특히, pH가 증가함에 따라 침전이 유리해지는 경향과 착물 형성의 상대적인 중요성이 변하는 과정을 이해하는 데 도움이 됩니다.
문제:
공기와 접촉이 없는 지하수계에서 금속 이온 화학종들은 물과 반응하여 수산화착물을 형성하거나 침전물을 형성한다. 지하수에 산화수가 +2인 Fe(II) 화학종만 존재한다고 가정할 때, 침전물인 Fe(OH)₂(s)의 용해도곱 상수(Ksp)와 주된 Fe(II) 화학종의 착물형성상수, K₁, K₂는 아래와 같다. 다음 물음에 답하시오.
- Fe(OH)₂(s) ⇌ Fe²⁺ + 2OH⁻, Ksp = 1.0 × 10⁻¹⁴°⁵
- Fe²⁺ + OH⁻ ⇌ FeOH⁺, K₁ = 1.0 × 10⁵⁻¹
- Fe²⁺ + 3OH⁻ ⇌ Fe(OH)₃⁻, K₂ = 1.0 × 10⁹⁻⁴
Q1. 용존 Fe(II) 화학종의 총 농도(CT,Fe)를 나타내는 질량균형식을 쓰시오.
A1.
CT,Fe = [Fe²⁺] + [FeOH⁺] + [Fe(OH)₃⁻]
또는,
[Fe²⁺]₀ = [Fe²⁺] + [FeOH⁺] + [Fe(OH)₃⁻]
[OH⁻]₀ = [OH⁻] + [FeOH⁺] + 3[Fe(OH)₃⁻]
[OH⁻]₀ = 2 × [Fe²⁺]₀ 이므로,
[OH⁻] + [Fe(OH)₃⁻] = 2[Fe²⁺] + [FeOH⁺]
Q2. 질량균형식에 나타난 각 Fe(II) 화학종의 로그농도(log C)를 pH 함수로 나타내시오.
A2.
log[Fe²⁺] = −14.5 + 2pOH = 13.5 − 2pH
log[FeOH⁺] = 4.6 − pH
log[Fe(OH)₃⁻] = −19.1 + pH
Q3. pH가 8인 지하수에서 가장 농도가 높은 용존 Fe(II) 화학종의 농도를 구하시오.
A3.
log[Fe²⁺] = 13.5 − 2 × 8 = −2.5 → [Fe²⁺] = 10⁻².⁵ M
log[FeOH⁺] = 4.6 − 8 = −3.4 → [FeOH⁺] = 10⁻³.⁴ M
log[Fe(OH)₃⁻] = −19.1 + 8 = −11.1 → [Fe(OH)₃⁻] = 10⁻¹¹.¹ M
가장 농도가 높은 화학종은 Fe²⁺이며, 그 농도는 약 3.16 × 10⁻³ M이다.
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