[분석화학실험]COD-KMnO4

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

여기서 COD(Chemical Oxygen Demand)는 화학적 산소 요구량을 뜻한다. 물의 오염 정도를 나타내는 기준으로, 유기물 등의 오염물질을 산화제로 산화할 때 필요한 산소량으로 ppm으로 표시한다. 이 숫자가 클수록 물의 오염이 심하다. 따로 규정이 없는 한 해수를 제외한 모든 시료의 COD는 이 법에 따라 시험한다.

 

2. 실험 요약

본 실험에서는 KMnO₄을 이용하여 시료의 COD를 측정하는 실험이었다. KMnO₄에 의한 시험법은 시료를 산성으로 하여 KMnO₄일정과량을 넣고 일정시간 가열반응 시켜 소비된 KMnO₄으로부터 산소의 양을 측정하는 방법이다. 이 방법을 산성 과망간산 칼륨법이라고 부른다.

 

시료를 산성으로 하여 일정량의 과망간산 칼륨용액을 넣고, 100℃ 물중탕에서 30분간 가열했을 때 시수 중 피산화성 물질을 산화시키고, 그 후 남아있는 과망간산 칼륨에 과잉량의 옥살산 나트륨을 가하여, 남은 옥살산 나트륨과 반응하는 과망간산 칼륨용액의 적정량으로 소비된 과망간산 칼륨량을 알 수 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 증류수, 시료수 (무심천 물), 12N H2SO4, Ag2SO4

2) 0.025N KMnO4, 0.025N Na2C2O4

3) 비커, 알코올 & 삼발이, 피펫 & 벌브

실험 방법

1. 실험 과정

1) 시료수 100㎖, 증류수 100㎖를 비커에 담는다.

2) 비커에 12N H2SO4용액 10㎖, Ag2SO4 1g을 넣는다.(Ag2SO4이 잘 녹지 않기 때문에 0.5g 만 넣었다.)

3) 수분간 방치한다. (Ag2SO4을 녹이기 위해서이다.)

4) 0.025N KMnO4용액 10㎖를 넣는다.(용액의 색깔이 분홍색으로 변한다. )

5) 100℃ 수욕상에서 30분간 중탕한다.

6) 0.025N Na2C2O4용액 10㎖를 넣는다.(용액의 색깔이 무색으로 변한다.)

7) 0.025N KMnO4용액으로 용액의 색깔이 변하는 지점에서 적정한다.(색 변화를 뚜렷하게 식별하기 위해서 흰 종이 위에 놓고 본다.)

실험 결과

1. 결과 data

COD 계산 방법은 아래와 같다.

COD(O₂㎎/L) = (A-B) × 0.025 × 8 × f × 1000/V

A : SAMPLE 적정량 (㎖), B : BLANK 적정량 (㎖)

f : 표정 (1로 본다.), V : SAMPLE 량 (㎖)

 

∴ A = 1.1 ㎖ , B = 0.3 ㎖, f = 1 , V = 100 ㎖

 

COD = (1.1-0.3) × 0.025 × 8 × 1 × 1000/100 = 1.6 ppm

 

토의 사항

1. 결과 분석

시료수의 적정량은 1.1㎖ 나왔고, 증류수의 적정량은 0.3㎖가 나왔으므로 COD는 1.6ppm이 나온다. 그런데 똑같은 양의 시료를 넣고 가열을 하였는데 용액의 양이 눈에 보일 정도로 차이가 났다. 이것은 가열 과정에서 가열 시간을 다르게 한 것이 원인이라고 생각된다.

 

적정을 하는데 색깔의 변화가 작아서 한눈에 알 수가 없었다. 뒤에 흰 종이를 두고 한 방울 떨어뜨리고 기다리기를 반복하면서 종말점(END POINT)을 찾았다. 비교적 두 실험의 색이 비슷한 것으로 보아 종말점은 잘 찾은 것 같다.

 

수질 환경 기준에서는 상수원수 1급수는 1ppm 이하, 상수원수 2급수에는 3ppm 이하를 유지하도록 규정하고 있다. 그러므로 이번 실험에서의 시료수는 2급수라고 해도 무관하다.

 

2. 실험 고찰

실험 자료를 미리 읽어보지 않고 실험을 하려고 한 것과 실험시작 전 미리 테이블에 준비를 하지 못 한 잘못을 하였다. 실험 기구가 익숙하지 않아서 사용방법도 모르고 미흡했지만 익숙해지는 과정이었다고 생각한다.

시료수는 무심천 물을 채취하였다. 채취 Point는 흥덕대교 아래이고 1L생수병에 담아 상온에서 보관하고 운반하였다.

실험하기 전 증류수가 시료수보다 값이 적게 나올 것 이라는 우리의 가설은 옳았다. 시료수는 무심천의 물을 채취한 것으로 증류수보다 오염이 심하다고 생각했기 때문이다. 하지만 예상과는 다르게 ‘0’값이 나올 줄 알았던 증류수도 약간의 값을 가져 놀랐다. 이것은 증류수를 제조하는 필터의 문제와 증류수의 보관상의 문제로 인해 생겼다고 예상했다.

처음이어서 실험 중 실수를 많이 하였다.

첫 번째는 시료수와 증류수의 가열시간을 다르게 하여 마지막에 두 비커에 들어있는 용액의 양이 달라졌다는 것이다. 다음 실험에서는 시료수와 증류수의 가열시간을 같게하여 가능하면 오차를 줄이도록 노력할 것이다.

두 번째는 End point를 찾는 과정에서 육안으로 관찰하는 것에 의한 오차가 생겼는데 두 비커 속 용액의 색에 작은 차이가 있었다. 이 오차는 비커 뒤쪽에 흰 종이를 대어 두 비커 속 용액의 색을 가장 비슷하게 맞추려고 노력 할 것이다.

본 실험을 발판으로 앞으로의 실험에서는 실수가 생기지 않도록 노력하고 조심해야겠다. 미흡한 실험 도구 사용이었지만 생각보다 좋은 결과를 얻을 수 있어서 좋았다. 다음 실험도 기대되고 좋은 결과가 있었으면 좋겠다.

아래 질문과 답은 COD-KMnO₄실험에서 궁금증을 품었던 것들을 여러 참고 문헌을 통해 얻은 것이다.

 

1) 산화 & 환원

산화란 산소와의 결합, 수소의 떨어져 나감, 산화수의 증가(전자의 수가 줄어듦)의 경우를 말한다. 환원이란 산화와는 반대로 산소와의 분리, 수소와의 결합, 산화수의 감소(전자의 수가 늘어남)의 경우를 말한다. 즉, 한 원소가 산화하면 다른 원소는 환원되기 때문에 항상 동반되어 발생한다고 볼 수 있다.

 

2) 0.025N Na2C2O4 표준용액을 만들 때 왜 Na2C2O4 1.675g을 넣어야 하는가요 ?

당량 = 분자량 / 전자수

 

① 전자수 구하기

Na2C2O4 = 2Na+ + C2O4-2

(2Na⁺ 와 같이 1가 양이온들은 분리되어 떨어져 나가기 때문에 신경 쓸 필요 없다.)

 

C2O4-2 + O-2 + 2H+ = 2CO2 + H2O + 2e-

-2 - 2 + 2 = 0 + 0 - 2

∴ 전자수 = 2

 

② 분자량 구하기

각 원자량 ⟹ ( C = 12g , O = 16g , Na = 23g )

∴ Na2C2O4의 분자량 = 23g × 2 + 12g × 2 + 16g × 4 = 134g

 

③ 당량 구하기

1g 당량 Na2C2O4 = 134g/2 = 67g

 

∴ 0.025N Na2C2O4 = 67g × 0.025 = 1.675g

 

3) Ag2SO4를 넣는 이유

Cl- 있을 경우 제거하기 위해서 즉, 염분을 제거하기 위해서 넣는다.

 

4) 같은 양의 시료를 넣었음에도 불구하고 증류수와 시료수의 양이 달랐다. 왜일까 ?

각각에 넣었던 산이 가열을 하면서 날아가는데, 가열 시간이 달랐기 때 문에 용액의 양이 달랐다.

 

5) COD 계산 방법에서 0.025 × 8을 하는 이유?

KMnO4에 상당하는 산소의 양을 곱해준 것이다.

즉, 산소의 1g 당량 = 8g

1N KMnO4 1000 ㎖ = 8g O2

1N KMnO4 1㎖ = 8㎎ O2

0.025N KMnO4 1㎖ = 0.2㎎ O2

 

참고 문헌

1. 수질오염 공정시험법주해, 동화지사

2. 수질 환경 분석실험, 신광문화사