실험 목적

1. 수소 이온의 농도를 알고 있는 여러 가지 표준 용액에 4가지 지시약을 가하여 색의 변화를 관찰하고, 관찰 되어진 색을 표준 용액의 새과 비교하여 시료 용액의 pH를 측정한다.

2. 수소 및 수산화 이온의 농도를 이용하여 주어진 용액의 pH와 pOH를 구할 수 있다.

3. 표준화된 NaOH용액을 이용하여 미지농도의 산용액을 적정하고 산용액의 농도와 산의 분자량의 측정한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

두 반응 용액간의 정량적인 상관관계는 화학자에게 매우 중요하다. 지금까지는 두 용액의 반응결과로 얻어지는 침전물을 분리하여 건조하고 그것의 질량을 측정하였다. 이와 같은 방법을 무게 분석이라고 하며, 질량관계를 이용하여 정량분석을 하였다. 이 방법은 매우 유용하지만 반응결과에서 침전이 생성되지는 않는 반응계를 분석하는 데에는 어려운 점이 많아서 실질적인 방법이 되지 못한다. 그러나 반응물이 산 또는 염기인 경우에는 적정법을 이용하여 농도를 측정할 수 있다.

적정법은 농도를 정확하게 알고 있는 용액과 반응하는 다른 용액의 부피를 정확하게 측정하는 데 쓰인다. 이 방법은 반응물 사이의 몰 관계를 이용한 부피분석이라고 할 수 있다. 보통 적정법에서는 온도와 부피를 정확하게 알고 있는 표준용액에 지시약을 넣고 미지농도의 시료용액을 반응이 완결될 때까지 넣어 미지농도의 시료용액의 부피를 정확히 측정한다. 이때 지시약은 반응이 완결되는 시점에서 색변화를 일으킨다. 산-염기 적정에서 산과 반응하는 염기의 당량 수는 산의 당량수와 일치하여야 하므로, 농도와 부피를 정확하게 알고 있는 산을 이용하면 염기의 부피를 정확하게 측정함으로써 염기의 농도를 계산할 수 있다.

2. 수소 이온 지수 (Potential of Hydrogen : pH)

수용성 또는 어떤 용액의 산성도나 염기도를 나타내는 정량적인 척도를 말한다.

물은 이온화하여 비록 소량이지만 H3O+ 이온과 OH- 이온을 생성한다.

H2O + H2O → H3O+ + OH-

순수한 물에서 수소이온 농도 [H3O+]와 수산화이온 농도 [OH-]는 같고, 그 값은 1.0X10-7 M 이다. 수소이온 농도를 간단히 표현할 때 pH 단위를 사용한다. 순수한 물의 pH는 7이다.

수소이온의 농도는 산, 염기의 세기를 나타내는 중요한 척도이다. 그러나 이 수소이온의 농도는 수용액 속에서 매우 광범위하게 변하므로, 보다 편리하게 사용하기 위해 pH 척도라는 것이 다음과 같이 정의되었다.

pH = -log10[H3O+]

따라서 하이드로늄 이온의 농도가 10배 차이 나면 pH단위로는 1의 차이를 보인다. 예들 들면, H3O+ 이온의 농도가 10-7M 라면

pH = -log10(1.0×10-7) = 7

[H+] = 1.00 × 10-n 일 때, pH = n이 된다. pOH 척도 역시 같은 방법으로 정의한다.

pOH = -log10[OH-]

1) 이온화 : 중성의 분자나 원자에서 전자를 잃거나 얻는 등의 전자 이동이 일어나 전하를 띠게되는 반응

2) pH값

pH = - log[이온의 농도]

pH = -log[H3O+]

즉 H3O+이온 농도의 상용로그에 음의 값을 취한 것. 순수한 물(pH=7)에서 H3O+이온과 OH-이온의 농도는 둘 다 1.0×10-7이다.

3) pH의 확인 법

- 지시약 :산-염기 지시약은 보통 지시약 자체가 약산이나 약염기인 유기화합물이다.

- 리트머스 종이

3. 물의 이온화 곱 상수(Kw)

KW = [H3O+][OH-] = -1.0×10-14

물의 이온화 곱 상수(KW)를 이용하여, pH와 pOH 값을 구하면 쉽게 구할수 있다.

※ pH가 7보다 작으면, 산성을 띄고, pH가 7보다 크면 염기성 을 띈다.

※ 용액의 pH를 측정하기 위해서는 pH paper 또는 pH meter를 사용한다.

4. pH meter의 구조 및 원리

pH meter 의 전극 내부는 위와 같은 구조로 되어있다. 기준이 되는 전극(Ag/AgCl)과 얇은 막 전극(하이드록소늄 이온이 들어있는 전극)이 있어서 용액에 전극을 담그면, 용액 내의 하이드록소늄 이온의 농도와 전극 안의 하이드록소늄 이온의 농도차를 감지하여 pH단위로 환산하여 나타내준다. 또는 산-염기 지시약을 사용하여, pH를 측정한다.

5. 여러 가지 용액의 pH

용액	pH	용액	pH
0.10M HCl	1.0	gastric juices	1.6-1.8
lemon juice	2.3	vinegar	2.4-3.4
soft drinks	2.0~4.0	milk	6.3-6.6
urine	5.5-7.5	rain water(unpolluted)	5.6
saliva	6.2-7.4	pure water	7.0
blood	7.35-7.45	egg white(fresh)	7.6-8.0
bile	7.8-8.6	milk of magnesia	10.5
household ammonia	11	0.1M NaOH(lye)	1.3

6. 지시약 (Chemical Indicator)

용액에 산이나 알칼리 같은 화학종의 존재유무를 색의 변화로 나타내는 물질을 말한다. 예를 들어 지시약으로 쓰이는 메틸옐로는 알칼리 용액에서 황색을 띠는데 이 지시약을 시험 용액에 첨가한 후 산을 서서히 가하면 알칼리 성분이 중화될 때까지 황색을 유지하다가 용액이 산성이 되면 갑자기 적색으로 변한다. 대부분의 지시약처럼 메틸옐로 또한 용액에 수ppm(피피엠) 정도만 포함되어 있어도 색의 변화를 나타낼 수 있다. 이처럼 지시약은 미량만을 사용해도 색깔 변화를 관찰할 수 있으므로 이때 사용된 반응상태에 영향을 미치지 않는다. 지시약은 일반적으로 적정 종말점을 찾을 때 쓰인다.

지시약의 색은 용액의 산성도나 산화력 또는 특정 화학종의 농도가 임계치의 범위에 이르면 변한다. 따라서 지시약은 산-염기, 산화-환원, 특정 물질 지시약으로 분류되며, 각각은 고유한 전이 범위를 갖는다. 중화적정 실험을 통해 얻게 되는 당량점은 다소 이론적이어서 실제적으로는 사용한 지시약이 색 변화하는 점인 종말점으로 결정된다.

지시약은 그 자신이 약산 또는 약염기로서 해리된 상태와 해리되지 않은 상태의 색깔이 전혀 다르므로 가해주는 산 또는 염기에 의해 독특한 색깔을 나타낸다.

1) 페놀프탈레인 지시약

페놀프탈레인의 변색원리

2) 페놀프탈레인의 짝염기

H2In(aq) → 2H+ + In2-(aq)

산을 가해주면 평형이 왼쪽으로 옮겨가며, 염기를 가해주면 오른쪽으로 옮겨간다. 지시약은 조금만 가해주어도 색깔을 띄기 때문에 용액의 pH에 영향을 주지 않는다. 해리상태( In2- )와 비해리상태(H2In)의 혼합물에서 어느 한쪽이 우세하게 보이기 위해서는 다른 쪽보다 농도가 약 10배정도 더 커야 한다.

그러므로 실제 지시약을 넣고 적정할 때는 산(혹은 염기)을 중화시키는데 필요한 앙(당량점)뿐 아니라 지시약의 형태를 바꾸는데 필요한 양의 염기(혹은 산)가 소요된다. 따라서 지시약의 형태를 바꾸는데 필요한 여분의 양은 적정오차를 크게 하므로 적정과정에서 사용할 지시약은 색변화를 감지할 수 있는 범위 내에서 가능한 한 적은 양을 사용하여야 한다.

7. 지시약의 종류와 변색범위

지시약은 종류에 따라서 변색범위가 각각 다르며, 각 지시약의 변색범위는 다음과 같다.

각 지시약의 변색범위.

실험 기구 및 약

1. 실험 기구

1) 비커(50㎖), 시험관(13X100mm 2개이상), 시험관 꽂이(20개용), 눈금 피펫(4㎖)

2) 유리막대, 눈금 실린더(10㎖), 리트머스 종이(청색, 적색 20개)

3) pH paper : 용액의 pH에 따라 다른 색깔을 나타내는 종이. 산,염기도를 알고자 하는 용액을 묻히면 색깔이 변하고, 색변화로 대략의 pH를 알 수 있다.

4) pH meter : 용액의 pH를 전기적으로 읽어주는 장치. 기준이 되는 전극과 얇은 막 전극(하이드록소늄 이온이 들어있는 전극)이 있어서 용액에 전극을 담그면, 용액 내의 하이드록소늄 이온의 농도와 전극 안의 하이드록소늄 이온의 농도차를 감지하여 pH단위로 환산하여 나타내준다.