생활 속의 산-염기 분석

목표

산과 염기의 중화 반응을 이용해서 산이나 염기의 농도를 알아낸다

원리

용어정리

  1. 적정(titration): The volumetric determination of a constituent in a known volume of a solution by the slow addition of a standard reaction solution of known strength until the reaction is completed, as indicated by color change(indicators) or as indicated electrometrically.
     
  2. 당량점(equivalent point): 적정시 분석물질과 정확하게 화학량론적으로 반응하는 데 꼭 필요한 가해준 적정액의 양이 되는 점. 이론적인 값.
     
  3. 종말점(end point): 실제로 측정한 실험치. 종말점을 정확하게 알아내기 위해서는 적정을 하는 동안에 용액의 pH를 계속 확인해서 그림 2-2와 같은 적정 곡선을 그리는 것이 가장 바람직하다.
     
  4. 표준 용액(standard solution): 농도를 정확하게 알고 있는 용액
     
  5. 지시약(indicator): 지시약은 그 자체가 약한 산이나 약한 염기인 복잡한 유기 화합물로 수용액의 pH에 따라서 색이 변하는 특징을 갖는다. 지시약을 너무 많이 사용하면 적정의 불확실도가 커지게 되므로 최소량을 사용해야 한다. 또한 지시약의 종류에 따라서 색이 바뀌는 pH범위가 다르기 때문에 적정하는 산과 염기의 종류에 따라서 적당한 지시약을 선택해야 적정의 불확실도를 줄일 수 있다.
     
  6. 브뢴스테드-로우리의 산-염기 이론
    산(acid): 수소 이온을 내놓을 수 있는 물질
          ex) CH3COOH, HCl, H2SO4, H3PO4
    염기(base): 수소 이온을 받아들일 수 있는 물질
          ex) NaOH, KOH, NH4.
    cf) 주기율표에서 알칼리족과 알칼리 토금속족에 속하는 원소의 수소화물들이 주로 염기에 해당하기 때문에 염기를 "알칼리"라고 부르기도 하지만, NH3처럼 알칼리족 원소의 화합물이 아니면서도 염기성을 나타내는 화합물도 많기 때문에 "알칼리" 보다는 "염기"라고 부르는 것이 더 일반적인 의미를 갖는다.
     
  7. 산-염기 중화반응: 산과 염기가 함께 혼합되면 H2O와 염이 생성되는 "중화반응"이 일어난다.
    HCl + NaOH -----> NaCl + H2O
    CH3COOH + NaOH -----> CH3COONa + H2O
     
  8. 산-염기 적정
    산과 염기의 중화 반은 매우 빠르고 화학 양론적으로 일어나기 때문에 중화 반응을 이용해서 수용액 속에 녹아있는 산이나 염기의 농도를 정확하게 알아낼 수 있다.
    적정에서는 뷰렛을 사용하는 그림 2-2과 같은 장치를 이용한다. 염산이 들어있는 수용액에 수산화 나트륨 수용액을 조금씩 넣어주면 용액의 pH가 그림 2-2와 같이 변한다. 즉, 수산화 나트륨을 넣기 전에는 용액이 강한 산성을 나타내다가 용액에 들어있는 염산의 양과 정확하게 같은 양의 수산화 나트륨을 넣어주면 pH가 7이 되고, 수산화 나트륨을 더 넣어주면 용액이 강한 염기성을 나타내게 된다. 용액 속의 염산을 완전히 중화시킬 만큼의 수산화 나트륨을 넣어준 상태를 "당량점"(equivalent point)이라고 하고, 당량점에서는 다음과 같은 관계가 성립된다.
    NA * VA = NB * VB
    eA * MA * VA = eB * MB * VB
    여기서 NA와 NB는 각각 산과 염기의 노르말 농도이고, VA와 VB는 산과 염기 용액의 부피이다. 당량점 부근에서는 그림 2-1에서 볼 수 있는 것처럼 용액의 pH가 급격히 변화하게 되고, 이런 특성을 이용하면 당량점을 실험적으로 쉽게 알아낼 수 있다.


    그림 2-1 적정곡선

     
  9. Requirement for Primary Standard
    • High purity
    • Stability toward air
    • Absence of hydrate water
    • Ready availability at modest cost
    • Reasonable solubility in the titration medium
    • Reasonable large formula weight

  10. 지시약   -   Some important Acid/Base Indicator
    Common Name Transition Range, pH pKa Color Change
    Tymol blue

    Methyl yellow
    Methyl orange
    Bromocresol green
    Methyl red
    Bromocresol purple
    Bromothymol blue
    Phenol red
    Cresol purple
    Phenolphthalein
    Thylmolphthalein
    Alizarin yellow GC

    		 1.2 - 2.8
    8.0 - 9.0
    2.9 - 4.0
    3.1 - 4.4
    3.8 - 5.4
    4.2 - 6.3
    5.2 - 6.8
    6.2 - 7.6
    6.8 - 8.4
    7.6 - 9.2
    8.3 - 10.0
    9.3 - 10.5
    10 - 12
    		 1.65
    8.90
    .
    3.46
    4.66
    5.00
    6.12
    7.10
    7.81
    .
    .
    .
    .
    		 R-Y
    Y-B
    R-Y
    R-O
    Y-B
    R-Y
    Y-P
    Y-B
    Y-R
    Y-P
    C-R
    C-B
    C-Y
    From C.A. Streuli, in Handbook of Analytical Chemistry, L. Meites, ED., pp3-35 and 3-36. New York; McGraw-Hill, 1963

     
     
  11. 역적정
     
  12. 농도의 정의
     
  13. 간략한 실험 소개
    이 실험에서는 산-염기 적정 방법을 이용해서 일상 생활 속에서 흔히 구할 수 있는 식초와 포카리스웨트에 들어있는 산의 농도를 측정한다.
    식초의 신맛을 내는 성분은 약한 산인 아세트산이고, 포카리스웨트에는 구연산, Citric acid, Lactic acid등의 산이 함유되어 있다.
     
     
    citric acid [HOC(COOH)(CH2COOH)2]-구연산 lactic acid [CH3CH(OH)COOH] acetic aicd [CH3COOH]


     

기구

250 mL 삼각플라스크
25 mL 뷰렛
저울

피펫

필러

뷰렛의 사용법


그림 2-2 실험 장치

시약

영국 옥스퍼드대학의 MSDS자료와 link되어 있습니다.

0.5 M NaOH 표준용액
0.5 M HCl 표준용액
페놀프탈레인 지시약
citric acid
lactic acid
acetic acid

방법

식초 분석

  1. 식초 10.00 mL를 취해
  2. 250 mL 삼각플라스크에 넣고
  3. 무게를 측정(식초만의 무게 측정)
  4. 증류수 40 mL를 넣고
  5. 지시약 2방울 첨가
  6. 뷰렛에 0.5 M NaOH 표준용액을 넣고 적정
  7. 종말점 : 분홍색이 30초 이상 지속된 후 없어지면 NaOH 한 방울을 더 넣은후 종말점으로 한다.

포카리스웨트 분석

  1. 시판되고 있는 포카리스웨트 50.00ml를 피펫으로 정확하게 취해서 250ml 삼각플라스크에 넣고 무게를 젠다.
  2. 페놀프탈레인 지시약 2~3방울을 넣고 0.5M 수산화 나트륨 표준 용액으로 적정한다.
  3. 실험을 한 번 더 반복한다.

실험 자료의 처리


동국대학교 일반화학실험 조교 이준우
mail to : joonwoo@ecl.dongguk.ac.kr or joonwoo@hitel.net
2001-9-18 달리만듦