생활 속의 산-염기 분석 예비 보고서 - saenghwal sog-ui san-yeomgi bunseog yebi bogoseo

실험목표 

산과 염기의 중화반응을 이용해서 산이나 염기의 농도를 알아낸다

관련이론

브뢴스테드-로우리의 산-염기 이론에 따르면 수소이온을 내놓을 수 있는 물질을 산이라 하고 수소이온을 받아들일 수 있는 물질을 염기라고 한다. 아세트산 이외에 염산, 황산, 인산 등이 대표적인 산이고 수산화나트륨, 수산화 칼륨, 암모니아 들이 대표적인 염기이다.

산과 염기는 서로 대립적인 특성을 가지고 있고, 산과 염기가 함께 혼합되면 물과 염(salt)이 생성되는 중화반응이 일어난다. 양잿물이라고 부르는 부식성이 강한 수산화나트륨 수용액에 역시 부식성이 강한 염산을 적당히 넣어주면 염화나트륨이 만들어져서 산과 염기의 부식성이 모두 없어져 버린 소금물이 된다. HCl +NaOH -> NaCl + H2O

산과 염기의 중화반응은 매우 빠르고 화학량론적으로 일어나기 때문에 중화반을을 이용해서 수용액 속에 녹아있는 산이나 염기의 농도를 정확하게 알아낼 수 있다. 그런 실험을 산-염기 적정(acid-base titration)이라고 부른다.

염산이 들어있는 수용액에 수산화나트륨 수용액을 조금씩 넣어주면 용액의 pH가 변화한다. 수산화나트륨을 넣기 전에는 용액이 강한 산성을 나타내다가 용액에 들어있는 염산의 양과 정확하게 같은 양의 수산화타트륨을 넣어주면 pH 7이 되고 수산화나트륨을 더 넣어주면 용액이 강한 염기성을 나타내게 된다.

용액속의 염산을 완전히 중화시킬 만큼의 수산화나트륨을 넣어준 상태를 당량점(equivalent point)이라고 하고, 이점에서는 다음과 같은 관계가 성립한다.

산의 노르말 농도 x 산 용액의 부피 = 염기의 노르말 농도 x 염기 용액의 부피

적정을 이용해서 산이나 염기의 농도를 알아내기 위해서는 농도를 정확하게 알고 있는 염기나 산 용액이 필요하다. 정확한 농도를 미리 알고 있는 용액을 표준용액 이라고 한다. 이실험에서 중화반응이 완전히 이루어졌다고 판단되는 상태를 종말점이라고 부른다. 이상적으로 종말점과 당량점은 같아야 하지만 여러가지 불확실도 때문에 실제로는 정확하게 일치하지는 않을수도 있다.

종말점을 정확하게 알아내기 위해서는 적정을 하는 동안에 용액의 pH를 계속 확인해서 적정곡선을 그리는 것이 바람직하다. 용액의 pH는 유리전극을 이용해서 용액 중의 수소 이온 농도를 직접알아내는 pH미터를 사용해서도 측정할수 있다. 만약 이것이 없을 경우에는 수용액의 pH에 따라서 색이 변하는 지시약을 사용하는 방법도 많이 사용된다. 그러나 그 자체가 약한 산이나 약한 염기인 복잡한 유기 화합물이므로 이것을 너무 많이 사용하면 적정의 불확실도가 커지게 되므로 최소량을 사용해야 한다.

실험방법

지시약을 이용한 산 염기 분석

①식초 5.00ml 를 피펫으로 정확하게 취해서 100ml 삼각플라스크에 넣고 무게를 잰다.

②20ml의 증류수를 넣은 다음 페놀프탈레인 지시약 2~3방울을 넣는다.

페놀프탈레인 지시약을 사용하는이유

산성에서 무색 pH9 이상의 염기성용액에서 붉은 색을 나타낸다. 즉 약산 강염기 적정시에 사용하는 시약으로 식초같은 경우 강산보다는 약산에 가깝고 수산화나트륨은 강산이다. 원래 중화반응을 하면 pH 7에서 바뀐다고 생각하기 쉬우나 약산-강염기 같은경우 pH7보다 높은 pH에서 중화점이 나타 나므로 페놀프탈레인 지시약을 사용하는것이 좋다.

③뷰렛에 0.5M 수산화나트륨 표준용액을 넣고 적정한다. 페놀프탈레인의 분홍색이 나타나기 시작하면 수산화 나트륨용액을 조금씩 넣어주면서 용액을 잘 저어준다. 분홍색이 30초 이상 지속된 후 없어지면 수산화 나트륨 한 방울을 더 넣어주고 종말점으로 여긴다.

삼각플라스크 밑에 흰종이를 깔아주면 육안으로 관찰 하기 더 쉽다.

pH 미터를 이용한 산 염기 분석 (앞의 방법과 동일한 용액을 이용)

앞의 방밥과 동일하게 적정하면서 pH 미터로 값을 읽는다.

시약

식초

식초는 3~5%의 초산과 유기산 아미노산 당 알코올 에스테르 등이 함유된 산성 식품

수산화나트륨

화학식 NaOH 분자량 약 40g/mol 대표적인 강염기로 공기 중에서 수증기를 흡수해 스스로 녹는 조해성이 있으므로 공기와의 접촉을 차단하여 보관하여야 한다.

만약 0.5M의 1L  NaOH 표준용액을 만들려면

0.5M의 1L 수산화나트륨 용액에 들어있는 몰수는 0.5mol/L x 1L= 0.5mol

0.5mol이 필요하기 때문에 NaOH는 1몰당 40g이므로 20g의 NaOH가 필요하겠네요

20g의 NaOH를 1L 부피플라스크에 넣고 표선까지 증류수를 채워주면됩니다.!

1)실험목적

실생활에서 사용하는 산-염기 시료를 이용하여 적정을 통해 시료용액 내에 있는 산, 염기 성분의 정량분석을 실시하여 각각의 농도를 알아낸다. 이 실험에서는 시판되고 있는 식초와 제산제를 산-염기 중화반응을 이용하여 적정과 역적정 방법으로 농도를 측정한다.

2)이론 및 과제조사

(1)산염기의 정의

1)아레니우스 산염기

H2O에 용해되어 H+를 내놓는 물질을 산, OH-를 내놓는 물질을 염기로 정의하는 산/염기이다. 비수용액상의 물질이나, 수소 이온 또는 수산화 이온이 없는 기체나 고체상에는 전혀 적용할 수 없다.

2)브뢴스테드 로우리 산염기

산은 양성자(H+)를 주는 물질이며 염기는 양성자(H+)를 받는 물질이다. 브뢴스테드-로우리의 산과 염기의 정의에서 양성자(H+)의 이동에 의해 산과 염기로 되는 한쌍의 물질을 짝산-짝염기라고 한다. 또한 산과 염기는 반응에서의 상대적 개념이므로 한 반응에서는 산으로 작용하던 물질이 다른 반응에서는 염기로 작용할 수 있는데, 이러한 물질을 양쪽성 물질이라고 한다. 주로 물이나 다양성자성 산의 음이온이 이에 해당한다. 양성자가 존재하지 않는 산과 염기는 여전히 설명이 되지 않는 한계가 있다.

3)루이스 산염기

화학 반응에서 비공유 전자쌍을 받는 물질인 전자쌍 받개를 '루이스의 산'이라 하고, 반대로 비공유 전자쌍을 주는 물질인 전자쌍 주개를 '루이스의 염기'라 한다. 루이스 산은 빈 오비탈을 가지고 있기 때문에 루이스 염기로부터 전자쌍을 받을 수 있으며, 루이스 염기는 결합에 참여하고 있지 않은 전자쌍인 비공유 전자쌍을 가지고 있기 때문에 이를 루이스 산에 제공하면서 배위결합을 하게 된다.

(2) 산염기의 세기

pH는 수소이온 지수로써, 수소 이온 농도 (H+)를 이용한다. pH는 다음과 같이 구할 수 있다.

한 pH단위의 전체 산도 변화는 수소이온 농도의 10배 변화에 상당한다.

(3)적정에 사용되는 용어들

1)표준용액: 적정분석 실험에서 사용되는 정확한 농도를 알고 있는 시약을 말하며, 표준액이라고도 한다. 표준용액으로 사용되기 위해서는 분석물과 빠르게 반응해야 하며, 최대한 정확한 종말점을 얻기 위해 분석물과 거의 완전히 반응해야 한다. 또한 정확한 적정을 위해서 정확한 농도를 유지해야 하고, 오랜 기간 안정하게 보존해야 한다.

2)당량점: 당량점은 중화반응을 포함한 모든 적정에서 적정당하는 물질과 적정하는 물질사이에 양적인 관계를 이론적으로 계산해서 구한 점을 말한다. 적정에서 시료에 대해 화학량론적으로 당량의 표준시약이 첨가된 점으로, 실험적으로 검출된 종말점과 반드시 일치하지는 않는다.

3)종말점: 어떤 적정에서 적정되는 물질의 성분과 적정하는 성분 사이의 화학량론적 반응이 완결되는 지점을 당량점이라 하고, 이 값은 이론값이므로 실제 적정에서는 이 지점을 알 수가 없다. 따라서 당량점에 관한 정보를 얻기 위하여 지시약을 사용하게 되는데, 적정의 과정에서 지시약의 색이 변해서 적정액의 투입을 중지하는 지점을 종말점이라 한다.

(4) 산 염기 중화적정

적정은 특정 화학종의 농도를 결정하기 위해 사용하는 정량 분석법의 일종으로 적정법으로도 불린다. 적정에서는 이미 농도를 알고 있는 표준 용액을 이용하여 미지 농도의 용액 속에 존재하는 용질과 완전히 반응시키기 위해 소모된 표준 용액의 양을 측정함으로써 분석물의 농도를 결정한다.

즉 이 실험에서는 M2와 V2를 구하는 것이 목표이다.

(5)역적정

시료에 비해 과량의 표준용액을 가하고 반응을 완결시킨 다음 여분을 또 다른 표준용액으로 적정하여 처음 반응에 소요된 표준용액의 양을 구하고 정량하는 과정. 이 방법은 반응속도가 느려 종말점을 찾기 어렵거나 적정하는 동안 분해반응을 하거나 시료가 휘발하여 손실될 때, 지시약으로 확인이 불가능 한 경우 사용한다.

3)실험기구 및 시약조사

(1)실험기구

- 삼각플라스크(100ml, 250ml)

- 비커(100ml, 250ml)

- 눈금실린더

- 뷰렛

- 뷰렛집게

- 스탠드

- 가열교반기

(2)실험시약

- 0. 5M HCl 표준용액 hydrochloric acid

- 0. 5M NaOH 표준용액 sodium hydroxide

- 제산제 [Mg(OH)2] magnesium hydroxide

- 식초 [CH3COOH] acetic acid

- 페놀프탈레인 지시약 phenolphthalein

4)실험방법

(1)제산제의 역적정 실험

제산제에 과량의 HCl을 가하고 NaOH로 적정하여 Mg(OH)2의 함량을 결정한다.

Mg(OH)2(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq)+ 2H2O(l)

1) 0.5M HCl 50ml와 제산제 0.5g을 250ml 플라스크에 넣고 교반 시켜준다. (약 10분)

2) 제산제가 완전히 녹으면 페놀프탈레인 지시약을 2~3방울 가하고 0.5M NaOH로 적정한다.

3) 적정에 사용된 0.5M NaOH 수용액의 부피를 측정한다.

(2)식초의 적정

식초를 NaOH로 적정하여 아세트산 의 함량을 결정한다.

CH3COOH (aq) + NaOH (aq) → CH3COONa (aq) + H2O (l)

1) 100ml 삼각플라스크를 저울에 올리고 영점을 누른다.

2) 식초 10ml를 삼각 플라스크에 넣고 무게를 측정한다.

3) 삼각 플라스크에 증류수 40ml를 넣고 페놀프탈레인 지시약을 2~3방울 넣어준다.

4) 뷰렛에 0.5M의 NaOH를 넣고 적정한다.

5) 적정에 사용된 0.5M NaOH 수용액의 부피를 측정한다.

5)참고문헌

(1)일반화학시험 교재. 2015

(2)줌달의 일반화학2

(3)응용화학과 chap.6 ppt 자료

(4)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1126299&cid=40942&categoryId=32256

(5)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2301687&cid=60227&categoryId=60227

(6)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662943&cid=62802&categoryId=62802

(7)https://blog.naver.com/johnlion77/140196883106

(8)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1080288&cid=40942&categoryId=32251