[무기화학실험]소다회의 가성화

실험 목적

소다회의 가성화 반응에 있어서 최적농도, 반응차수, 반응속도를 구하고 그 방법을 익히며 시간에 따른 가성화 정도를 알아보는데 목적이 있다.

 

실험 이론 및 원리

1. 가성소다(수산화나트륨)

① 특징 및 성질

부식성이 강하므로 가성소다라고도 한다. 초기에는 르블랑법에 의한 탄산나트륨을 사용했으므로 품질이 떨어졌으나, 암모니아 소다법에 완성된 후에 얻어진 탄산나트륨의 가성화에 따라 양질의 가성소다가 제조되게 되었다. 수산화나트륨의 화학식은 NaOH이다. 순수한 것은 무색의 투명한 결정이지만, 보통은 약간 불투명한 흰색 고체이다. 탄산나트륨 등의 불순물을 함유하고 있다. 완전히 탈수시킨 수산화나트륨의 m.p 328℃이지만, 보통은 약간의 수분이 들어 있어 318.4℃이다. b.p 1390℃이고 비중은 2.13이다.

공기중에서 CO2와 수분을 잘 흡수하는 조해성이 강하여 공기 중에 방치하면, 탄산나트륨이 되어, 결정을 석출한다. 물에 잘 녹으며, 그때 다량의 열을 발생한다. 수용액은 강한 알칼리성이며, 용해도는 물 100g에 대하여 0℃에서 42g, 100℃에서 347g이다.

② 용도

인조견사 및 스테이플 파이버의 제조용, 염료․비누의 제조, 표백․펄프의 제조, 면사․면포의 정련, 석유의 정제, 공업약품의 제조 등에 사용된다.

 

2. 가성화

탄산나트륨을 수산화나트륨으로 바꾸는 조작을 말하다.

① 암모니아 소다법에서 탄산나트륨은 가열분해해서 탄산나트륨 용액으로 한 후 석회유와 다음과 같이 반응시켜 가성소다의 묽은 용액을 얻는다.

Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2NaOH + CaCO3

이때 부생하는 탄산칼슘은 시크너 및 거르개로 분리된다. Na2CO3의 NaOH로의 변화율은 88~91%이다.

② 소다펄프 또는 황산염 펄프의 제조 때에 나오는 폐액에서 소다를 회수하는 공정 중에도 얻을 수 있다. 농축한 흑액을 연소해서 얻어지는 소다용융물에서는 흑액 중의 소다는 탄산나트륨으로 되어있다. 이것을 물에 녹여서 생석회를 가하면

Na2CO3 + (Na2S) + CaO + H2O → 2NaOH + (Na2S) + CaCO3

가성화되고 수산화나트륨용액을 만든다. 소다법에서는 약품회수 공정 중에 잃어버린 소다를 보충하기 위해 가성화 전에 계산상의 소다회를 가한 후 가성화한다.

한편, 가성화작업에서 탄산나트륨으로 변화한 비율(%)은

가성화율 = NaOH/(NaOH + Na2CO3) × 100

3) 실험에서의 반응식은 아래와 같다.

CaO + H2O(=Ca(OH)2) ↔ Ca2+ + 2OH-

Na2CO3 ↔ 2Na+ + CO32-

Ca2+ + 2OH- + 2Na+ + CO32- → 2NaOH + CaCO3↓

즉, 탄산소다 용액에 생석회 또는 석회유를 가한다. 이때 탄산소다 용액의 농도가 낮을 때는 가성화의 변화율이 높다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

① 비이커(50㎖) : 3개

② 물중탕장치 : 직접적인 열에 의한 유리기구의 깨짐방지

③ heating mantle

④ 삼각플라스크(50㎖/100㎖) : 적정과정에서 채취한 용액을 담는데 사용한다.

⑤ 피펫(25㎖) : 용액을 채취하여 옮길 때 사용한다.

⑥ 메스실린더(100㎖), 메스플라스크(500㎖) : 시료용액제조에 사용된다.

⑦ 뷰렛, 스탠드 : 적정을 위한 장치에 사용한다.

⑧ 깔대기, 여과지 : 용액을 여과할 때 사용한다.

⑨ 전자저울, 시약수저 : 시료의 무게 측정시 사용

 

2. 실험 시약

① 탄산나트륨(Na2CO3) : 35g

탄산의 나트륨염으로 탄산소다, 소다라고도 한다. 무수물은 소다회라 하며 백색분말로 흡습성이 강하다. 1수화물, 7수화물, 10수화물이 알려져 있다. 100g의 물에서 7.1g(0℃),  45.5g(100 ℃)의 용해성을 갖는다. 제조방법으로는 암모니아-소다법(솔베이법), 르블랑법, 전해소다법의 세가지의 방법이 알려져 있다.

② 수산화칼슘(Ca(OH)2) : 40g

소석회라고도 불리우며, 백색분말로 2.24의 비중을 지닌다. 물에는 약간 녹으며, 온도가 올라가면 용해도는 감소한다. 수용액은 공기중의 CO2를 흡수하여 탄산칼슘의 백탁이 생긴다.

 

③ 0.1N-HCl 용액 : 적정에 쓰이는 용액의 역할을 한다.

④ 페놀프탈레인(phenolphthalein)

무색의 결정으로 m.p 262℃이고, 물에는 조금 밖에 녹지 않으나 따뜻한 알코올에는 녹는다. 산, 염기의 지시약으로서 특히 중화적정의 종말점 지시에 쓰이는 대표적 시약이다. pH 8.2~10.0 인 범위에서 변색이 일어난다. 산성은 무색이고, 염기성은 적색을 나타내며 강염기성에서는 무색이 나타난다.

 

⑤ 메틸오렌지(methyl oramge)

4'-디메틸아미노아조벤젠-4-술폰산의 나트륨염이다. 등황색의 작은 널빤지 모양의 결정을 지니고 있다. 산, 염기의 지시약으로 널리 사용된다. pH 3.1～4.4 인 범위의 산성에서는 적색, 염기성에서는 등황색이 나타난다.

 

⑥ 증류수

 

실험 방법

1. 실험 과정

먼저 적정에 사용할 0.1N-HCl 용액을 만든다. (HCl의 순도 35%) 당량가는 1가이므로 0.1㏖을 구하는 것과 동일하다.

 

{((X㎖×1.18g/㎖×0.35)/36.46g/㏖)/500×10-3ℓ}= 0.1㏖

∴ X = 4.42㎖ HCl

 

따라서 염산 4.42㎖를 가하고 나머지는 증류수를 가하면 용액을 제조가능하다. 즉, 500㎖ 메스플라스크에 증류수를 약간 넣은 후 염산 4.42㎖를 채우고 표선까지 증류수를 마저 가하면 0.1N-HCl용액을 만들 수 있다.

① Na2CO3 35g을 증류수 140㎖에 용해시킨다.

② Ca(OH)2 40g을 170㎖에 용해시킨후 가열한다.

③ 물중탕장치에서 ①,②용액을 삼각플라스크에 넣고 교반하면서 끓인다. 끓고난 후 공기중에 방치하면서 10, 20, 30, 40, 60, 90분마다 피펫으로 40㎖씩 덜어낸다.

④ 시간별로 ③으로부터 채취한 용액을 여과한 후 1㎖씩만 취한다.

⑤ 증류수 15㎖를 ④번 용액에 넣는다.

⑥ 페놀프탈레인 2～3방울 가한 뒤 0.1N-HCl로 적정을 실시한다.

☞ 색깔이 적색에서 무색으로 변할 때의 사용한 염산의 적정량(A)를 측정

⑦ ⑥의 용액에 메틸오렌지를 2～3방울을 가한 뒤 다시 0.1N-HCl로 적정을 실시한다.

☞ 색깔이 등황색에서 적색으로 변할 때의 사용한 염산의 적정량(B)를 측정 ⑧ 시약에 대해 A, B를 plot하고 백분율을 산출한다.

실험 결과

1. 결과 분석

시 약 명	화 학 식	분 자 량	사용량	비 중	순 도
탄산나트륨	Na2CO3	105.99g/㏖	34.996g	․	․
수산화칼슘	Ca(OH)2	74.06g/㏖	39.994g	2.24g/㎖	․
염산	HCl	36.46g/㏖	4.42㎖	1.18g/㎖	35%

이 실험은 위에서 밝힌 것과 같이 Na2CO3용액과 Ca(OH)2용액을 혼합시키고 난 뒤 중탕가열을 시킨후 공기 중에 방치하면서 10, 20, 30, 40, 60, 90분마다 40㎖를 채취하여 용액의 가성화 정도를 측정해 보는 실험이다. 즉, NaOH의 생성정도를 알아보는 것이다. 또한 반응이 진행됨에 따른 Na2CO3의 변화도 측정 가능하다.

이러한 변화의 정도는 아래에서 주어질 NaOH와 Na2CO3의 백분율로 쉽게 비교할 수 있다. 먼저 시간별로 채취한 용액에서 페놀프탈레인에 의한 적정량(A)과 메틸오렌지에 의한 적정량(B)의 수치는 실험을 통해 아래와 같이 얻을 수 있었다.

	1회 적정시의 값(A㎖)	2회 적정시의 값(B㎖)
10분	18.7㎖	1.35㎖
20분	19.1㎖	1.3㎖
30분	19.6㎖	0.85㎖
40분	19.9㎖	0.95㎖
60분	22㎖	1.0㎖
90분	22㎖	0.85㎖

이와 함께 위의 수치를 이용하여 NaOH와 Na2CO3의 백분율을 구하는 공식은 아래와 같다.

※ NaOH와 Na2CO3의 백분율(%)을 구하는 식

NaOH(%) = {0.004×(A-B)}/S1 × 100(%)

Na2CO3(%) = {0.0053×(2×B)}/S1 × 100(%)

단, 여기서 S1 : 흡입여과된 양으로 정의한다.

 

흡입여과된 양(S1)은 용액 중에서 40㎖를 채취하지만, 여과의 과정을 거쳐서 그 중에서 단지 1㎖만을 취하므로 S1=1㎖로 계산하게 된다. 그리고 여과액에 15㎖의 증류수를 가하여 적정을 실시하게 된다. 따라서, 위의 S1의 정의에 따르면 1㎖를 대입하여 계산하면 된다.

위의 실험과정에서 얻은 적정값 A, B와 NaOH와 Na2CO3의 백분율(%)을 구하는 식을 이용하여 백분율의 수치로 가성화의 정도를 알아보면 아래와 같다. 10분에서의 NaOH와 Na2CO3의 백분율(%)을 계산하여 보면

 

NaOH(%) = {0.004×(18.7-1.35)㎖}/1㎖ × 100(%) = 6.94 %

Na2CO3(%) = {0.0053×(2×1.35)㎖}/1㎖ × 100(%) = 1.431 %

 

따라서 위의 계산처럼 20, 30, 40, 60, 90분에서의 값을 계산하여 주면 아래의 표와 같은 값들을 얻어낼 수 있다.

	NaOH(%)	Na2CO3(%)
10분	6.94%	1.431%
20분	7.12%	1.378%
30분	7.5%	0.901%
40분	7.58%	1.007%
60분	8.4%	1.06%
90분	8.46%	0.901%

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 Ca(OH)2와 Na2CO3의 혼합으로 인해 생기는 가성소다(NaOH)의 생성 정도를 백분율로 측정하는 것이 주된 목적이다.

반응식으로 살펴보면 Ca(OH)2 + Na2CO3 → 2NaOH + CaCO3의 반응이 일어나는 것을 알 수 있다. 즉 반응을 통하여 수산화나트륨의 생성을 확인할 수 있다. 실험과정에서 위의 두 시료를 혼합하여 가열을 통해 가성소다를 얻을 수 있으며, 이는 두 시료의 반응으로 인해 생성되는 생성물과 용해도의 측면에서 반응이 진행된다고 한다. Ca(OH)2보다 CaCO3가 용해도가 낮으므로 전체적인 반응은 우측으로 진행되어 가성소다가 생성되는 쪽으로 진행되게 된다. 참고문헌에서도 탄산나트륨의 농도가 낮으면 가성화율은 높아진다고 하고 있다. 즉 CO32-가 용해도의 측면에서 반응에 영향을 끼치고 있는 셈이다. 그리고 시간이 경과할수록 반응물에서의 Na2CO3가 소비되므로 반응은 더욱 우측으로 진행되게 될 것이다.

따라서 반응이 진행될수록 우측으로 진행되는 경향을 나타낼 것이고 NaOH의 양도 시간이 흐를수록 증가하게 될 것임을 예측 가능하다. 그러므로 NaOH의 백분율은 증가할 것이고, Na2CO3의 백분율은 감소하는 경향을 나타내야 함을 추측 가능하다. 실험데이터를 살펴보면 NaOH의 백분율의 경우에는 증가하는 것을 관찰 가능하다. 하지만, Na2CO3의 백분율의 경우에는 감소의 경향을 나타내지만 40분경에는 약간의 증가를 나타내었다. 하지만 다시 감소의 수치로 내려갔음을 볼 수 있다. 따라서 실험전의 예측과 실제의 실험 데이터가 맞아 떨어진 셈이다.

실험과정에서 지시약을 사용하여 적정을 하였다. 반응으로 인해 시료의 상태는 가성소다가 생성되어 염기성의 상태를 나타내고 있으며, 이를 0.1N-HCl의 산용액으로 적정을 하였다. 산-염기 중화반응을 이용한 적정법을 사용한 것이다. 따라서 페놀프탈레인과 메틸오렌지를 사용하였다. 두 지시약은 산성과 염기성을 구분하는 좋은 시약이다. 페놀프탈레인의 경우는 적색에서 무색으로 변색이 되면 염기성의 용액이 산성으로 변했음을 알 수 있고, 메틸오렌지는 등황색에서 적색으로 변색이 일어나면 염기성에서 산성으로 변했음을 알려주기 때문이다.

위에서 살펴본 바와 같이 시간이 경과할수록 반응은 우측으로 진행되므로 NaOH의 양은 증가할 것이고 많은 염기를 중화하기 위해 보다 많은 산용액을 이용한 적정을 해야 할 것이다. 그래서 산의 적정량도 증가하게 될 것이다. 그리고 적정량에서의 오차는 존재할 것이다. 변색이 일어나는 것은 산과 염기의 적정량의 혼합에 의해서 일어나는데 지시약이 들어있는 경우 색의 변화가 차차 일어나는 것이 아니라 어느 당량점에 도달함과 동시에 색의 변화가 순간적으로 일어나기에 만일 적정 과정 중이었다면 과량이 들어가게 됨을 예상할 수 있기 때문이다. 실제로 실험과정에서도 주의를 기울여서 하였음에도 순간적으로 변화가 일어나기에 정확한 양이라고 장담하지는 못한다. 대략의 양을 예측할 수 있을 뿐이다. 적정치의 수치(A, B)로부터 NaOH의 백분율의 값과 Na2CO3의 백분율의 값을 plot하게 된다면 거의 직선형의 plot형을 관찰 할 수 있다.

NaOH(%)

Na2CO3(%)

직선의 그래프는 수치를 바탕으로 그린 선형이고 점선은 직선모양의 경향을 가늠할 수 있도록 그려본 선형이다. 그리고 반응이 계속 진행되어 종말부에 다다르면 더 이상의 반응이 일어나지 않을 것이다. 따라서 계속적인 반응이 진행되도록 방치하고 시간의 간격을 더 길게 하면 직선의 NaOH 그래프와 같이 마지막 부분에서는 평형이 나타나지 않을까 생각된다. Na2CO3그래프도 역시 감소의 곡선을 나타내다 평형의 모습이 나타날 것이라 사료된다.

참고 문헌

1. 단위제조공정실험 : 무기편, 손은산, 동명사, 1978