[일반화학실험]인산의 적정과 완충용액

실험 목적

pH의 개념을 이해하고 pH측정을 통해 적정 곡선을 그려 종말점과 완충 영역을 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

인상 적정과 완충용액 실험은 pH 개념을 이해하고 pH측정을 통해 적정 곡선을 그려 종말정과 완충 영역을 알아보는 목적을 가진다. 완충용액이란 소량의 강산이나 강염기를 가해도 pH의 변화가 거의 없는 용액을 말한다, 일반적으로 약산과 약산의 염 (짝염기), 약염기와 약염기의 염 (짝산)을 혼합하여 만든다.

르샤틀리에의 원리란 반응이 평형을 이루고 있는 상태에서, 하나의 성분이 갑자기 늘어나면 그 성분을 없애는 쪽으로 반응이 진행된다. 완충용액의 pH는 Handerson-Hasselbalch 식으로 주어진다.

pH = pKa + log([염기]/[산]) = pKa + log([A-]0/[HA]0)

pKa = -log(Ka) = 해리상수

[HA]0 = 약산의 초기 몰농도, [A-]0 = 짝염기의 초기 몰농도

해리상수(Ka)란 전해질이 용액 속에서 어느 정도 이온화되어 있는지 수치로 표현한 것이다, (Ka)가 크면 더 센 산, (Ka)가 작을수록 이온화가 잘 일어나지 않는 전해질이다.

 

2. 수소 이온지수 (pH)

용액의 산성 또는 알칼리서의 정도를 나타내는 수단이며, 몰농도(M)로 나타낸 하이드로늄 이온(H3O+)의 농도 또는 수소 이온(H+)농도의 역수의 상용로그 값

pH = -log[H3O+] 또는 pH = -log[H+]

pH 단위가 1만큼 변화하면 [H+]는 10만큼 변한다.

1) 산성용액 = [H+]>10-7M, pH<7

2) 중성 용액 = [H+]=10-7M, pH=7

3) 염기성 용액 = [H+]<10-7M, pH>7

 

3. 완충용액

외부로부터 어느 정도의 산이나 염기를 가했을 때 영향을 큭 받지 않고 수소이온 농도를 일정하게 유지하는 용액이며 완충액이라고도 한다. 일반적으로 약한 산과 그 염의 혼합용액 또는 약한 염기와 그 염의 혼합용액의 완충작용을 한다. 그리고 완충 작용은 인체를 비롯한 생물체에서 흔히 찾을 수 있어 우리 몸 소의 혈액은 대표적인 완충 용액이라 할 수 있다.

 

강산이나 강염기를 넣어도 공통이온효과 때문에 용액의 pH변화는 거의 없다.

CH3COOH에 CH3COONa 혼합용액에서

CH3COOH → CH3COO- + H+(약산이므로 약간만 이온화)

CH3COONa → CH3COO- + Na+(염이므로 거의 모두 이온화)

이 완충용액에 강산인 HCl을 첨가 : H+의 농도가 증가 → 공통이온효과로 역반응이 진행. H+의 농도가 감소 pH가 거의 변하지 않음. 즉, CH3COO- + H+ → CH3COOH

 

4. 약산의 화학평형

강산의 경우, HCl ↔ H+ + Cl- → H+ 이온과 Cl-이온으로 나눠지는 정반응이 우세하며, 역반응은 거의 일어나지 않는다. 화학반응의 평형은 동적평형이기 때문에 항상 정반응과 역반응이 일어나고 있는 상태로 강산과 그 짝염기, 강염기와 그 짝산의 경우, 전체적인 반응의 방향은 정반응이 우세하게 일어나므로 완충용액의 재료로 사용하지 않는다.

 

5. 완충용액의 pH 계산

pH는 이온화되어 생선된 [H+]나 [OH-]에 의해서 결정된다.

Henderson-Hasselbalch Equation

pH = pKa0 + log([염기]/[산]) = pKa + log([A-]0/[HA]0)

pKa = -logKa = 해리상수, [A-]0 = 약염기의 초기 몰농도, [HA]0 = 약산의 초기 몰농도

해리 상수란 전해질이 용액 속에서 어느 정도 이온화되어 있는지를 수치로 표현한 것이다. 주어진 온도에서, 산 HA의 세기는 Ka의 크기에 의해 정량적으로 측정되며, Ka가 크면 더 센 산, Ka가 작을수록 이온화가 잘 일어나지 않는 약 전해질이다.

 

6. 인산적정의 메커니즘

1) 첫 번째 완충영역 (Ka₁ = 7.11×10-3)

H3PO4 + H2O ↔ H2PO4- + H3O+

2) 두 번째 완충영역 (Ka₂ = 6.32×10-8)

H2PO4- + H2O ↔ HPO42- + H3O+

3) 세 번째 완충영역 (Ka₃ = 7.1×10-13)

HPO42- + H2O ↔ PO43- + H3O+

 

7. 적정 곡선

pH의 변화가 가장 작은 곳이 pKa점이고 이 pH에서 [HA]=[A-], 이 근처에서 적정곡선의 기울기가 가장 작아진다. 염기나 산을 가해주어도 용액의 pH값의 변동이 가장 작다(=완충용량이 가장 큼)

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) pH meter, 50㎖ 뷰렛, MBL kit&노트북, 10㎖ 피펫

2) 100㎖ 부피플라스크, 마그네틱바, 250㎖ 비커

3) 0.1M 인산(H3PO4), 0.1M 수산화나트륨(NaOH)

실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.1M NaOH용액으로 50㎖ 용량의 뷰렛을 눈금까지 채운다.

2) 250㎖ 비커에 피펫으로 0.1M H3PO4 20㎖를 넣고 마그네틱바를 사용해 천천히 150rpm으로 교반하여 pH meter로 pH를 측정한다.

3) 실험결과 표에 지시된 만큼씩의 뷰렛의 NaOH수용액을 비커에 넣어주면서, pH미터의 눈금이 안정될 때까지 기다려서 pH를 측정한다.

실험 결과

1. 결과 정리

1) 적정 곡선의 그래프에 당량점과 완충영역 표시

더해준 NaOH(㎖)	NaOH의 총량(㎖)	pH	더해준 NaOH(㎖)	NaOH의 총량(㎖)	pH	더해준 NaOH(㎖)	NaOH의 총량(㎖)	pH
0	0	1.46	0.5	20.5	5.3	0.5	38.5	7.86
5	5	1.72	0.5	21	5.49	0.5	39	8.15
5	10	2.02	0.5	21.5	5.65	0.5	39.5	8.77
3	13	2.24	0.5	22	5.75	0.5	40	9.73
2	15	2.42	1	23	5.93	0.5	40.5	10.13
2	17	2.72	2	25	6.2	0.5	41	10.4
1	18	2.93	2	27	6.39	0.5	41.5	10.51
0.5	18.5	3.11	3	30	6.65	0.5	42	10.66
0.5	19	3.36	3	33	6.94	1	43	10.82
0.5	19.5	3.96	2	35	7.15	2	45	11.03
0.5	20	4.95	2	37	7.45
			1	38	7.7

2) 센산이나 센염기로는 완충용액을 만들 수 없는 이유

화학반응의 평형은 동적 평형이기 때문에 항상 정반응과 역반응이 일어나고 있는 상태로 강산과 그 짝염기, 강염기와 그 짝산의 경우, 전체적인 반응의 방향은 정반응이 우세하게 일어나므로 완충용액의 재료로 사용하지 않는다. 또한 센산과 센염기가 들어가면 해리가 활발히 일어나 남아있는 산, 염기 성분은 거의 없어서 완충작용을 할 수 없다. 소량의 센산과 센염기를 가한다 해도 pH의 변화는 거의 일어나지 않는다.

 

3) 인산의 첫 번째와 두 번째 당량점에서의 이론적인 pH 값을 계산해보고 실험치와 비교

1번째 당량점 실험치는 pH 4.95이고 2번째 당량점 실험치는 pH 9.73이다.

산과 염기의 농도가 같기 때문에 당량점의 pH는 pKa와 같다.

1번째 당량점 이론치는 pH = -log(7.11×10-3) = 2.5 이고,

2번째 당량점 이론치는 pH = -log(6.30×10-8) = 7.20 이다.

1번째 당량점 실험치 pH 4.95와 당량점 이론치 pH 2.15의 차이는 2.8이며, 2번째 당량점 실험치 pH 9.73과 당량점 이론치 pH 7.20의 차이는 2.53이다.

1번째 당량점 pH오차율(%) = (4.95-2.15)/2.15×100 = 130%

2번째 당량점 pH오차율(%) = (9.73-7.20)/7.20×100 = 35%

1번째 당량점 pH오차율은 130%, 2번째 당량점 pH오차율은 35.0% 이다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1번째 당량점에서의 이론치 pH는 2.15이고, 2번째 당량점에서의 이론치 pH는 7.20이 나왔고 1번째 당량점 pH 실험치는 4.95이고, 2번째 당량점 pH 실험치는 9.73이며, 1번째 당량점 pH의 실험치와 이론치의 차이는 2.8이고 2번째 당량점 pH 실험치와 이론치의 차이는 2.53이다.

정리하면, 1번째 당량점 이론치와 시험치의 오차율은 130%로 큰 오차를 보였으며, 2번째 당량점 이론치와 시험치의 오차율은 35.0%로 1번째 당량점의 오차율보다는 낮음을 확인할 수 있었다. 

이러한 오차율을 보이는 원인에 대해서 생각해 보자면, 뷰렛을 사용하여 수산화나트륨 용액을 인산이 들어있는 비커에 교반 시키는 과정에서 인산과 수산화나트륨이 희석이 되면서 pH meter의 값이 계속 변하게 되는데, 정확한 값이 나오기까지 기다리지 못하여 오차가 발생했을 것이라 생각하고 실험 결과 표에 지시된 만큼의 뷰렛을 비커에 넣는 과정에서 지시된 만큼의 양보다 덜 넣었거나 더 넣어져 오차가 생겼을 가능성이 있다고 본다. 인산 적정과 완충용액 실험을 통해서 완충용액이 소량의 강산이나 강염기를 강해도 pH의 변화가 거의 없는 용액이고 적정곡선에서 기울기가 갑작스럽게 커진 부분은 당량점이고 기울기가 원만한 부분은 완충 영역을 뜻한 다는 것을 알았다

참고 문헌

1. 일반화학실험, 금오공과대학교 편저, 사이플러스, p.129~134