[일반화학실험]용액의 제조 및 농도계수 측정

실험 목적

수산(C2H2O4·2H2O)을 수산화나트륨(NaOH)으로 적정하는 실험

 

실험 이론 및 원리

1. 백분율(%) 농도

⑴ 용매의 양과 용질의 양의 합에 대한 용질의 양을 백분율로 표시한 것으로 용액 100g 속에 녹아있는 용질의 g수.

⑵ 약품이나 식품의 성분 함량을 나타내는 데 많이 이용.

⑶ 온도나 압력이 변하여도 용매나 용질의 질량은 변하지 않으므로, 퍼센트 농도는 온도나 압력의 변화 등에 영향을 받지 않음.

 

∴ 중량 백분율(w/w%) : 용액 100g 중의 용질의 양을 g수로 표시한 것.

∴ 용량 백분율(v/v%) : 용액 100㎖ 중의 용질의 양을 ㎖수로 나타내며 농도도 동시에 표시.

∴ 중용량 백분율(w/v%) : 용액 100㎖ 중에 함유되어 있는 용ㅈㄹ의 양을 g수로 표시한 것.

백분율 농도(%) = (용질의 질량×100)/용질의 질량

= 용질의 질량×100/(용매+용질)의 질량

 

2. 밀리그램 백분율 농도(㎎%)

용액 100g 또는 100㎖ 중에 함유되어 있는 용질의 양을 ㎎수로 표시한 것.

 

3. 백만분율 농도(ppm)

⑴ 용액 1㎏ 또는 1L(비중 1.000)에 녹아 있는 용질의 양을 ㎎수로 표시한 것으로 용액 10⁶g 속에 녹아 있는 용질의 질량.

⑵ ppm, part per million, ㎎/㎏, ㎍/g 그 외 미량 단위로 10억분율(ppb)을 쓰기도 함.

⑶ 10억분율(ppb) : 용액 10⁹g 속에 녹아 있는 용질의 질량.

⑷ ppm과 ppb는 공기나 물 속에 포함되어 있는 아주 적은 양의 불순물들의 농도를 표현하는 데 이용하며, 대기 오염이나 수질 오염의 정도 등을 나타낼 때 사용함.

 

4. 몰 농도(M, molarity)

⑴ 용액 1L중에 함유되어 있는 용질의 g분자량 수, 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 몰수.(단위: M 또는 ㏖/L)

⑵ 같은 용질이 용해된 농도가 서로 다른 두 용액을 혼합할 때, 용질의 전체 몰수는 변하지 않고 농도와 부피만 변함.

⑶ 온도가 변하여도 용질의 몰수는 변하지 않지만, 용액의 부피가 변하기 때문에 온도에 따라 몰 농도가 달라짐.

몰 농도(M) = 용질의 몰수(㏖)/용액의 부피(L)

= 용액 1L 속에 녹아있는 요질의 질량(g)/용질의 화학식량

 

5. 노르말 농도(N, normality)

⑴ 규정농도라고도 하며 용액 1L 중에 함유되어 있는 용질의 g당량 수를 말함.

⑵ 노르말 농도 용액 속에 포함된 용질의 g 당량수는 노르말 농도와 용액의 부피로부터 산출할 수 있음.

⑶ 종래 산-알칼리 적정, 산화-환원 적정 등에 널리 사용.

노르말 농도(N) = 당량 수/수용액의 리터

 

※ 당량

⑴ 반응물질이 화학반응에 의하여 정량적으로 반응하였을 때 각 반응물질의 양적비는 항상 일정하며 이때 반응물질을 화학적으로 ‘서로당량’ 이라고 함.

⑵ 화학반응에서 화학량론적으로 각 원소나 화합물에 할당된 일정한 물질량.

⑶ 화학반응의 계산에 자주 쓰였던 결합능력을 나타내는 척도.

⑷ 어떤 원소의 당량은 1g의 수소(또는 8g의 산소, 35.5g의 염소)와 결합할 수 있는 gram수로 나타냄. 즉, 원자량을 원자가로 나눈 것에 해당함.

⑸ 화합물에 대해서는 어떠한 반응인가에 따라 당량은 별도의 값을 나타냄.

당량수 (n) = 분자량/1당량

g 당량수 = 노르말 농도(N) × 용액의 부피(V)

 

※ 가수

산 1분자에서 몇 개의 수소이온(H+)을 얻을 수 있는가 하는 수 또는 염기 1분자에서 몇 개의 수산이온(OH-) 얻을 수 있는가 하는 수.

 

6. 백분율(%) 농도의 변경

⑴ a%의 용액에 w ㎖ 있을 때 이것을 보다 묽은 농도 b%로 하려면 가해야 하는 용매의 양 x ㎖은 다음 식에 의해 구해짐.

x = w × (a-b)/b

 

⑵ %용액 A g과 %용액 B g을 혼합하여 %용액을 만들 때(단, a>c>b), 전체 액량은 (A+B) 이므로 A:B=(c-b):(a-c)에 의해 혼합할 때 비율이 정해짐.

⑶ Karl pearson의 사각형법 : 높은 쪽의 농도를 a, 낮은 쪽의 농도를 b라고 하고, 만들고자 하는 용액의 중간 농도를 c라고 하여 서로간의 절대 값을 계산하면 혼합비가 구해짐.

 

7. 노르말(N) 농도의 변경

산과 알칼리의 중화적정에 가장 많이 쓰이며, 농도가 %로 되어 있지 않고 노르말농도나 몰농도일 경우에 기존 농도 N, 부피 V를 물 등으로 희석하여 용액의 농도 N', 부피 V'로 변경하고자 할 때 다음 공식을 적용.

NV = N'V'

 

8. 표준용액

⑴ 정량분석의 기준용액으로 사용되는 것으로 몰 농도를 정확하게 알고 있는 용액.

⑵ 표준용액을 이용하여 농도를 모르는 용액의 농도를 구할 수 있음.

 

9. 역가(Factor)

용액의 농도의 이론치와 실제치의 비로 목표 농도와 역가를 곱해주면 실제 용액의 농도.

역가(F) = 소정의 노르말농도(N)/실제의 노르말농도(N₀)

 

10. 용액의 농도계수(Factor) 측정

⑴ 노르말 농도의 용액중에 존재하는 용질의 당량수는 노르말농도(N) × 용액의 부피(V)로 계산됨.

⑵ 산과 알칼리는 당량 대 당량으로 반응하기 때문에 다음과 같은 공식이 성립

N × V × F = N' × V' × F'

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 뷰렛, 삼각 플라스크, 약수저, 전자저울

2) 수산(C2H2O4·2H2O)

① 무색의 침상결정으로 냄새가 없는 산제 식품제조용 첨가물.(분자량 126.07)

② 물에 용해되어 비등수에 더 잘 용해.

③ 수용액은 산성이며 석유에테르에는 용해되지 않고 에테르에 잘 용해.

 

3) 수산화나트륨(NaOH)

① 강염기의 대표적인 물질로 다른 물질을 잘 부식시키는 위험한 물질.(분자량 40.00)

② 단백질도 가수분해하기 때문에 손으로 직접 만지는 것은 좋지 않음.

③ 고체 결정 상태이기 때문에 화학 반응 시에는 주로 물에 녹여 수용액을 만들어 사용.

④ 만들어진 수용액을 산성용액과 반응시킬 때에도 많은 열을 발생하므로 묽게 하여 사용.

⑤ 대표적인 성질 : 조해성

 

4) 페놀프탈레인

① 산·염기를 구별하는 지시약.

② 에탄올에는 잘 녹으며 에테르에는 잘 녹지 않고, 물에는 거의 녹지 않음.

③ 산성 용액 속에서는 무색이며, pH9 이상의 염기성 용액에서는 붉은색을 띠기 때문에 산·염기 적정에 많이 이용.

④ 자체가 약산성이기 때문에 많이 넣을 경우 실험결과에 영향을 줄수 있으므로 2~3방울 정도만 넣는 것이 바람직함.

⑤ 플라스크 속 용액의 색깔이 매우 옅은 붉은색을 띠고 플라스크를 잘 섞고 주어도 그 색깔이 없어지지 않으면 중화점에 다다른 것이며 적정이 종료.

실험 방법

1. 1차 표준용액(0.1N 수산용액)을 이용한 0.1N NaOH용액의 농도계수 측정

⑴ 0.1N 수산용액 100㎖에 필요한 수산의 양을 계산(수산:126.07)

⑵ 저울에 이론치인 0.63035g의 수산을 계량하여 실질적인 칭량치를 잼

⑶ Factor를 계산.(F=이론치/실제치)

 

2. NaOH 표준용액

⑴ 페놀프탈레인에 에틸알코올을 혼합하여 0.1% 페놀프탈레인 알코올 용액을 제조.

⑵ 0.1N-NaOH용액을 만들어 뷰렛에 넣음.

⑶ ⑴에서 제조한 수산용액 10㎖을 정확히 취하여 100㎖ 삼각플라스크에 넣음.

⑷ 페놀프탈레인 지시약을 3방울 넣음.

⑸ 수산용액에 0.1N NaOH용액을 조금씩 떨어뜨려 수산용액 전체가 연한 홍색이 유지되면 떨어뜨리는 것을 멈추고 뷰렛의 눈금을 읽어 0.1N-NaOH 용액의 소비량을 측정함.

⑹ 적정에 소비된 0.1N NaOH 용액 양의 평균치를 구하고 이에 의해 0.1N-NaOH용액의 Factor를 계산함.

 

실험 결과

1. 수산 표준용액의 결과>

⑴ 0.1N 수산용액 100㎖ 중 수산의 계산 → A = 0.63035g

⑵ 실제 수산의 채취량 → B = 0.6300g

⑶ Factor의 계산(A/B) → F = 0.9994

⑷ 수산용액의 노르말농도 계산(N=0.1×F) → N = 0.09994g

 

2. NaOH 표준용액의 결과

⑴ 0.1N NaOH의 채취량 → V = 10㎖

⑵ 0.1N NaOH의 Factor → F = 1.0007

⑶ 0.1N NaOH의 N → N = 0.1N

⑷ 0.1N NaOH의 노르말농도 → N' = 0.1N

⑸ 0.1N NaOH의 소비량

	0.1N-NaOH 소비량(㎖) = V'
1회	9㎖
2회	9㎖
3회	9㎖
평균	9㎖

⑹ 0.1N NaOH 용액의 Factor → F'=1.11044

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 수산을 수산화나트륨으로 적정하는 실험을 하였다. 실험에는 분자량 126.07인 무색의 침상결정으로 냄새가 없는 산제 식품제조용 첨가물로 물에 용해되어 비등수에 더 잘 용해되며 수용액은 산성이며 석유에테르에는 용해되지 않고 에테르에 잘 용해되는 수산(C2H2O4·2H2O)과 분자량 40.00인 강염기의 대표적인 물질로 다른 물질을 잘 부식시키는 위험한 물질로 고체 결정 상태이기 때문에 화학 반응 시에는 주로 물에 녹여 수용액을 만들어 사용하는 수산화나트륨(NaOH)을 사용하였다.

 

먼저 실험에 앞서 수산과 수산화나트륨의 Factor를 구해줘야 하는데, 그러기 위해서 수산과 수산화나트륨의 당량수를 먼저 구해줘야 한다. 당량수(N)는 분자량/1당량의 식을 이용하여 구할수 있다. 수산의 분자량은 126.07이며 2당량이므로 당량수는 63.035N이므로 그것을 용액 100㎖와 0.1N의 기준으로 바꾸어 줬을 때, 0.63035g의 수산의 이론치가 나온다.

 

수산화나트륨의 분자량은 40.00이며 1당량이므로 당량수는 40.00N인데 이것을 수산과 같이 100㎖와 0.1N의 기준으로 바꾸어 줬을 때, 0.4g의 수산화나트륨의 이론치가 나온다. 이렇게 수산과 수산화나트륨의 이론치와 같게 전자저울에서 수산과 수산화나트륨을 각각 계량하여 실직적인 칭량치를 재어 Factor를 계산해 주는데, Factor는 이론치/실체치의 공식을 가지고 있으므로 수산의 이론치인 0.63035g에 실제치인 0.6300g을 대입해주면 수산의 Factor는 0.9994g이 나오며, 수산화나트륨의 Factor는 1.0007g이 나온다.

 

0.1N-NaOH용액을 만들어 뷰렛에 넣은 다음, 수산용액 10㎖을 정확히 취하여 삼각플라스크에 넣고 0.1% 페놀프탈레인 용액을 3~5방울 정도 넣어준다. 이때, 3~5방울의 0.1% 페놀프탈레인 용액을 넣는 이유는 페놀프탈레인 용액은 pH9 이상의 염기성 용액에서는 붉은색을 띠기 때문에 산·염기 적정에 많이 이용되는데 자체가 약산성이기 때문에 많이 넣을 경우 실험결과에 영향을 줄 수 있으므로 2~3방울 정도만 넣는 것이 바람직하다.

 

그리고, 수산용액에 0.1N NaOH용액을 조금씩 떨어뜨려 수산용액 전체가 연한 홍색이 유지되면 떨어뜨리는 것을 멈추고 뷰렛의 눈금을 읽어 0.1N-NaOH용액의 소비량을 측정한다. 1회, 2회, 3회 실험때 모두 9㎖의 0.1N-NaOH용액을 떨어뜨려 주면 연한 홍색이 되었다.

 

따라서 1회, 2회, 3회의 평균 0.1N-NaOH용액의 소비량은 9㎖이다. 이렇게 평균까지 구해지면, N×V×F=N'×V'×F'의 공식에 대입하여 0.1N-NaOH의 Factor를 구해본다. 즉, N,V,F에는 수산을 대입하고, N',V',F'에는 수산화나트륨을 대입해보면, N은 0.1, V는 10, F는 0.9994, N'는 0.1, V'는 9, F는 1.0007을 대입하여 계산하면 0.1N-NaOH용액의 Factor는 1.11044가 나온다.

 

참고 문헌

1. 줌달의 기본 일반화학, 사이플러스, 화학교재연구회, p.226~234

2. 기본 식품분석학, 석학당, 채수규, p.60~64