[일반화학실험]알칼리 소비량 2부

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 클램프, 클램프 스탠드, 비커 50㎖, 비커 250㎖, 25㎖ or 50㎖ 뷰렛

2) 장갑, 스포이트, 마스크, 유신지

3) 염산(HCl), 수산화나트륨(NaOH), 페놀프탈레인 용액, 티몰블루 지시약, 검수

4) 무수탄산나트륨(Na2CO3), 증류수, C2H5OH

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.1N HCl, 0.1N NaOH, 0.02N NaOH, 0.1N Na2CO3을 제조한다.

2) 페놀프탈레인, 티몰블루 혼합액(지시약)을 제조한다.

가) 페놀프탈레인 0.15g + C2H5OH 50㎖ 혼합한다.

나) 티몰블루 0.05g + C2H5OH 50㎖ 혼합한다.

다) 가) 용액 + 나) 용액에 증류수를 총 부피가 200㎖이 되도록 가한다.

라) 다) 용액 + 0.02N NaOH을 한 방울씩 가하여 연한 녹색의 용액을 제조하고

밀봉보관한다.

 

3) 0.1N HCl 25㎖에 ②항에서 제조한 혼합액(지시약)을 3-5방울 가한 후, 0.1N NaOH으로 적정한다.

4) 0.1N Na2CO3 25㎖에 ②항에서 제조한 혼합액(지시약)을 3-5방울 가한 후, 0.1N HCl으로 적정한다.

5) (알칼리 소비량 측정) 검수 100㎖에 ②항에서 제조한 혼합액(지시약)을 3-5방울 가한 후, 0.1N NaOH으로 적정한다. (검수: 수돗물, 증류수)

 

실험 결과 및 토의

1. 결과 분석

1) 농도계수 f1, f2 구하기

① 탄산나트륨의 적정 값으로 0.1N HCl의 농도계수 f1, f2을 구하시오.

f1	Na2CO3의 부피/소비한 HCl의 부피 = 25/27 = 0.93
f2	(f1×HCl의 부피)/소비한 NaOH의 부피 = (25×0.93)/19.3 = 1.20

 

② 이론적인 농도계수는 얼마이고, 오차율은 얼마인가.

이론적인 농도계수는 f1 = 1.0, f2 = 1.0 이다.

따라서 오차율은 다음과 같다.

f1의 오차율	|1.0-0.93|/1.0×100 = 7%
f2의 오차율	|1.0-1.20|/1.0×100 = 20%

 

2) 알칼리 소비량 구하기

① 농도계수가 이론값일 때 증류수의 알칼리 소비량과 농도계수가 실험값일 때 증류수의 농도계수를 구하고 비교하시오.

이론값	A=(0.3)×(1.0)×(1000/100)×(1/10) = 0.3ppm
실험값	A=(0.3)×(1.20)×(1000/100)×(1/10) = 0.36ppm

 

② 농도계수가 이론값일 때 수돗물의 알칼리 소비량과 농도계수가 실험값일 때 수돗물의 농도계수를 구하고 비교하시오.

이론값	A=(0.5)×(1.0)×(1000/100)×(1/10) = 0.5ppm
실험값	A=(0.5)×(1.20)×(1000/100)×(1/10) = 0.6ppm

 

③ 증류수와 수돗물의 알칼리 소비량을 비교하고 차이가 나는 원인

농도계수가 이론값일 때의 알칼리 소비량은 증류수가 0.3, 수돗물이 0.5로 측정되었다. 그리고 농도계수가 실험값일 때의 알칼리 소비량은 증류수가 0.36, 수돗물은 0.6이 측정되었다. 수돗물의 경우 증류수보다 많은 양의 수산화나트륨이 적정에 사용되었는데 이는 산을 띄는 물질이 수돗물에 포함되어 있어 그런 것으로 볼 수 있다. 

증류수 속에는 알칼리와 중화반응을 하는 산을 띄는 물질이 없기 때문에 더 적은 양에 의해 지시약의 색 변화를 관찰할 수 있는 것이다. 산을 띄는 물질이 결과에 영향을 미치는 경우는 여러 가지가 있는데, 대표적인 것이 이산화탄소이다. 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하여 약산성을 띄게 된다. 오염이 심한 시료인 경우 환경오염 물질인 질소산화물과 황산화물에 의한 것으로 추측해 볼 수도 있다.

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 알칼리 소비량의 측정 원리

알칼리 소비량은 중화적정을 이용하여 측정한다. 농도를 알고 있는 산성과 염기성 시약을 만들고 그것을 이용하여 알칼리 소비량(pH9) 변환식에 쓰이는 농도계수를 구한 후, 검수를 중화적정하여 구한 값(검수에 넣은 시약의 소비량)을 통해 알칼리 소비량(pH9) 변환식에 대입하여 검수의 알칼리 소비량을 구한다. 농도계수(f)는 표준용액의 부피에 적정에 사용한 산 또는 염기를 나누어 구한다.

A = a×f2×(1000/V)×(1/10)

A : 알칼리 소비량(ppm), a : 0.1N 수산화나트륨 수용액 소비량(㎖)

f2 : 농도계수, V : 검수량(cc)

 

2) 알칼리 소비량과 알칼리 소비량(유기산)의 차이점

알칼리 소비량(pH9)은 염기시약(수산화나트륨 등)을 이용하여 검수의 수소이온농도가 약 pH9 에 다다를 때 까지 사용한 염기용액의 소비량을 통해 확인 할 수 있다. 반면에 알칼리 소비량(유기산)은 탄화수소를 포함한 산성 화합물을 중화적정 하는데 사용된 염기성용액의 소비량을 통해 확인한다. 

알칼리 소비량(유기산)은 생물학적 산화가 대단히 어려운 몇가지 유기산들이 자연수에 알칼리도(알칼리 소비량)를 나타내게 하는 염을 생성한다는 점을 이용하여 그 염의 양을 측정함으로써 알칼리 소비량을 측정한다. 오염된 물이나 혐기성 상태의 물에서는 아세트산. 프로히온산. 황화수소와 같은 약한 산의 염들이 생성될 수 있으며, 이들은 알칼리도(알칼리 소비량)를 증가시킨다.

 

3) 화학 산업에서 알칼리 소비량의 원리를 사용하는 예시

공장에서 배출되는 배수를 시험할 때 수질을 표시하는 지표로 사용된다. 검수 속에 포함된 강산, 유기산 염류 등의 산분을 중화할 때 pH5, pH9 및 유리산의 3개의 알칼리 소비량으로 나눠 표시한다.

 

4) 특정한 pH 값을 가지는 완충용액을 만드는 방법

완충용액을 제조할 때는 약산에 그 짝염기가 포함된 염을 넣고 약염기에는 그 짝산이 포함된 염을 넣는다. 여러 가지 산과 염기 및 해당하는 염을 적당히 혼합하면 여러 가지 pH 값을 가지는 완충용액을 만들 수 있다. 이때 특정 pH값을 가지는 완충용액을 만들기 위해 넣어야 하는 짝염기와 짝산은 헨더슨 하셀바흐 식인 pH = pKa + log([짝염기]/[약산])을 이용하여 결정한다.

 

5) 완충용액의 원리가 적용된 예시

토양에는 산이나 알칼리를 가해도 pH가 크게 변하지 않는다. 토양 중에는 탄산염, 중탄산염 및 인산염과 같은 약산계가 있고, 또한 점토와 교질복합체에 산성기가 있어 완충능력을 보유하고 있다. 그리고 토양교질물은 해리된 H+와 평형을 이루고 있다. H+가 토양용액으로부터 제거된다면 그만큼 교질물로부터 보충되므로 토양용액의 H+농도에 큰 변화가 일어나지않고 반대로 H+이 첨가되면 교질물의 염기가 H+과 치환되어 H-교질이 되므로 토양용액의 pH는 그다지 낮아지지 않는다. 구체적인 반응은 다음과 같다.

토양에 HCl 또는 다른 산성물질을 첨가하면 콜로이드의 Ca2+와 H+가 치환되어 pH가 급격히 낮아지는 것을 막고 CaCO3를 가하면 콜로이드에 흡착된 H+와 Ca2+가 치환되어 pH가 별로 높아지지 않는다. 이로 인해 토양의 pH가 크게 변화하는 것을 막아 식물과 미생물의 생육에 장애를 막는다.

완충용액의 원리가 적용된 또 다른 예시로는 해수가 있다. 해수의 pH는 표면수의 경우 8.1에서 8.3 사이로 약염기성을 띄며 중층이나 심층수는 낮지만 pH7.6이상으로 변동이 작다. 이는 해수에 녹아 있는 탄산염과 붕산염의 완충작용으로 인한 것이다. 대기 중의 CO2가 해수에 녹게 되면 H2CO3-가 생성되어 H+와 CO3-를 생성하는 것이다. 이를 통해 해수의 pH 변화 폭을 완충하는 것이다.

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