#6. 비타민C 분석

1. 실험 제목 : 비타민C 분석 실험 보고서

 

2. 실험 목적 : 산화-환원 반응을 기초로 직접 요오드 적정법을 통해 비타민C를 분석해 본다,

 

3. 시약 및 실험기구 : 요오드산 칼륨, 아이오딘화 칼륨, 황산(95%), 비타민C, 녹말

시약명	화학식	몰질량(g/mol)	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/mL)
요오드산 칼륨	KIO3	214.02	560	-	3.93
아이오딘화 칼륨	KI	166.02	680	1330	3.13
황산(95%)	H2SO4	98.09	10	337	1.84
비타민C	C6H8O6	176.12	553	190	1.694
녹말	(C6H10O5)n	-	-	-	-

 

실험도구 : 시판 비타민 음료 1, 시판 비타민 음료 2, 마그네틱바, 100mL 삼각 플라스크 3개, 피펫, 시판 시약, 50mL 뷰렛, 스탠드, 가열 교반기

 

4. 이론

 

1.비타민C

비타민C는 비타민의 한 종류로 거의 모든 음식물에 들어 있을 정도로, 가장 쉽게 접할 수 있는 비타민의 하나이다. 인체에서 결핍될 시에는 괴혈병이 발생하며 강한 환원제로서 콜라겐의 합성 효소 활성화 등 인체에 있어 필수적인 성분이다.

 

2. 요오드 적정법

요오드의 표준 환원 전위는 +0.536V이다. 산화력이 상당히 약한 편이기에 환원력이 강한 물질을 정량하는 데 사용된다. 요오드는 수용액에서 I-, I2, I3-, ICl, IO3-,IO4-등 여러 가지 상태로 존재하게 된다. 그리고 요오드는 무극성 분자로 극성을 띄는 물에서 용해가 잘 되지 않는다. 요오드는 수용액에 거의 녹지 않으나 요오드 이온과 착물을 형성하면 용해도는 증가 되기에 KI를 이용한다. KI를 함유한 용액에서는 새로운 화학 평형 상태는 주어진 변화를 상쇄시키는 방향으로 결정된다는 르샤틀리에 원리를 따라 다음 반응식의 정반응이 일어나게 된다.

I2(aq) ＋ I- ⇌ I3-

요오드 적정법은 직접 요오드 적정법과 간접 요오드 적정법 두 가지로 구별한다.

직접 요오드 적정법에서는 요오드가 그 자체보다 낮은 산화전위 물질에 대해서는 산화제로 작용하므로 환원제의 분석물을 요오드(I2 또는 I3-)로써 바로 직접 적정하여 요오드 이온(I-)이 생성되게 한다. 이번 실험에서 비타민C와 반응시켜 산화된 비타민과 요오드 이온을 형성한다. 종말점은 남은 요오드가 과량으로 검출되는 때이다. 이와 반대로 간접 요오드 적정법에서는 요오드보다 높은 산화전위를 갖는 물질 KI와 같은 요오드 화합물은 환원제로 작용하므로 산화제 분석물에 과량의 I-를 가하여 생성되는 I2 또는 I3-를 티오황산나트륨으로 적정해서 최적의 물질양을 구한다. 종말점은 마지막으로 검출되는 요오드가 남아 있는 지점이다.

본 실험에서는 요오드 용액의 농도를 확인하는 표준화 과정을 위해 1차 표준 물질로 표준 비타민C를 활용한다. 그에 앞서 표준화란 미지 농도의 시료를 알고 있는 1차 표준 물질을 이용하여 정확한 농도의 시료를 만드는 과정이다. 1차 표준 물질은 순도가 높고 용액을 만들었을 시 무게 오차가 적어 예상한 농도와 거의 동일한 농도의 용액을 만들 수 있는 물질을 말한다. 1차 표준 물질로서 가져야 할 조건은 정제하기 쉽고 흡수, 풍화, 공기 산화 등의 성질이 없고 오랫동안 보관하려도 변질되지 않아야 하는 것. 그리고 반응이 정량적으로 진행될 수 있게 해주고 되도록 당량, 중량이 커서 측량 오차를 감소시킬 수 있는 물질이어야 한다. 판매되고 있는 표준 비타민C 시약을 가지고 2.5mM 비타민C 용액을 만들어 요오드 용액의 농도를 확인하는 용도로 적정에 사용한다.

 

3. 녹말 지시약

녹말은 요오드가 관여하는 적정의 종말점을 검출하는데 선택적인 지시약으로 사용할 수 있다. 왜냐하면, 녹말은 요오드와 결합하여 진한 청색 착물을 형성하기 때문이다. 직접 요오드 적정법(I3-로 적정)에서 녹말은 적정을 시작할 때 넣어준다. 당량점 이후 과량의 I3- 첫 방울이 용액을 어두운 청색으로 변하게 한다. 간접 요오드 적정법(I3-의 적정)에서 I3-는 당량점까지는 반응되는 과정에서 존재한다. 녹말은 당량점 직전까지는 넣지 말아야 한다.(I3-가 소실되는 것을 눈으로 볼 수 있을 때까지) 그렇지 않으면 약간의 요오드가 당량점 지나서도 녹말 입자에 붙어 남아 있게 된다. 남은 요오드를 녹말을 사용하여 검출하는 방법은 1826년에 하이포아염소산염을 정량할 때 처음 사용되었으며, 지금도 녹말은 요오드에 의한 지시약으로서 가장 널리 사용되고 있다. 일반적인 산화‧환원 지시약은 용액의 전위에 따라 색깔이 변하는 것이었다. 그러나 녹말은 요오드와 반응하여 착물을 만든다. 녹말은 실온에서 남은 요오드만 있으면 반응하여 진한 남색을 나타내기 때문에 요오드에 대한 감도가 대단히 높다. 녹말의 요오드에 대한 감도는 20℃에서 약 10-6M이지만 온도가 5℃로 내려가며 감도는 10-4M까지 떨어진다. 녹말은 천연물이므로 잘 보관하지 않으면 미생물에 의하여 변질된다. 방부제를 첨가하여 냉장고에서 보관하는 수도 있으나 요오드 적정을 실시할 때마다 새로 만드는 것이 더 좋다.

 

5. 실험방법

 

1) 요오드 용액의 농도 측정(표준화)

1. 2.5mM 표준 비타민C 용액 10mL를 피펫으로 100mL 삼각 플라스크에 담는다.

2. 녹말 지시약(1.0 %)의 맑은 층을 떠서 약 1mL를 삼각 플라스크에 가하고 마그네틱 바를 넣어준다.

3. 50mL 뷰렛을 요오드 용액으로 헹궈준 후에 요오드 용액을 채운다.

4. 요오드 용액으로 표준 비타민C 용액을 적정한다.

5. 위 과정을 2번 더 반복하여 평균값을 구한다.

6. 평균값으로 요오드 용액의 농도를 구한다.

 

2) 시판 비타민 음료 1의 적정

1. 시판 비타민C 음료 1 10mL를 100mL 부피플라스크에 넣고 증류수로 나머지를 채워 준비한다.

2. 부피플라스크의 용액 10mL를 피펫으로 100mL 삼각 플라스크에 담는다.

3. 녹말 지시약 1mL를 삼각 플라스크에 가한다.

4. 50mL 뷰렛에 표준 요오드 용액을 채운다.

5. 표준 요오드 용액으로 시판용 비타민C 음료 1을 적정한다.

6. 위 과정을 2번 더 반복하여 평균값을 구하여 시판 비타민C 음료 1의 비타민C 함량을 구한다.

 

3) 시판 비타민 음료 2의 적정

1. 시판 비타민C 음료 2 10mL를 100mL 부피플라스크에 넣고 증류수로 나머지를 채워 준비한다.

2. 부피플라스크의 용액 10mL를 피펫으로 100mL 삼각 플라스크에 담는다.

3. 녹말 지시약 1mL를 삼각 플라스크에 가한다.

4. 50mL 뷰렛에 표준 요오드 용액을 채운다.

5. 표준 요오드 용액으로 시판용 비타민C 음료 2를 적정한다.

6. 위 과정을 2번 더 반복하여 평균값을 구하여 시판 비타민C 음료 1의 비타민C 함량을 구한다.

관찰

요오드 용액의 농도를 확인하기 위해 1차 표준 물질로 표준 비타민C의 수용액을 사용해서 적정을 진행한다. 각각 비타민C 수용액 8.8mL, 8.4mL, 8.4mL를 사용하였다.

농도를 파악한 요오드 용액을 이용하여 시판 비타민 음료 1의 적정을 진행한다. 각각 사용된 요오드 용액의 부피는 8.8mL, 8.8mL, 8.7mL이다.

농도를 파악한 요오드 용액을 이용하여 시판 비타민 음료 2의 적정을 진행한다. 각각 사용된 요오드 용액의 부피는 11.35mL, 11.55mL, 11.6mL이다.

 

6. 결과

	1회(mL)	2회(mL)	3회(mL)	평균(mL)
2.5mM 표준 비타민C	8.8	8.4	8.4	8.5

요오드 용액의 농도: 0.0029M

	1회(mL)	2회(mL)	3회(mL)	평균(mL)
시판 비타민C 음료 1	8.8	8.8	8.7	8.8
시판 비타민C 음료 2	11.35	11.55	11.6	11.5

음료 1 비타민C 농도: 0.026M, 45.6mg/10.0mL

음료 2 비타민C 농도: 0.034M, 59.6mg/10.0mL

 

7. 토의

 

1) 오차 원인 분석 및 해결 방법

-시판 비타민C 음료 1의 실제값은 300mg/100mL이고 음료 2의 실제값은 500mg/100mL이다. 측정갑이 실제값보다 크게 오차가 나타났다. 이는 요오드가 승화성이 강하기 때문에 나타난 결과라고 추측해 볼 수 있는데, 실험 영상을 보게 되면 비커에 요오드 용액을 담아 놓고 실험을 진행해 요오드의 승화를 막을 요소는 보이지 않는다. 따라서 실험과정 중에 요오드가 승화되어 날아가면서 농도가 유지되지 않은 것으로 보인다. 농도가 낮아진 상태에서 적정을 계속 진행하면서 적정에 실제로 사용했어야 할 부피보다 더 많은 부피가 적정에 사용되었기에 그만큼 우리가 계산한 비타민C의 양이 크게 측정된 것 같다. 이를 방지하기 위해서는 표준화를 진행한 요오드 용액 속 요오드의 승화를 막아야 한다. 이는 열과 빛에 의해 촉진되므로 요오드 용액은 갈색 병에 보관하도록 한다. 승화 과정을 막는 것이니 요오드 물질이 빠져나가는 것을 막을 수 있게끔 밀봉을 하면서 온도가 낮은 곳에 두는 것이 최선일 것 같다.

 

2) 이론이 어느 부분에서 적용되었는가?

-요오드 용액을 표준화시키는 과정과 이를 가지고 비타민C 음료의 비타민C의 양을 측정하는데 측정이 끝난 종말점을 확인하기 위해 녹말 수용액을 사용하였다. 이 과정에서 거시적으로나마 산화-환원 적정이 진행되는, 비타민C가 요오드와의 반응에서 산화가 진행되었고 반응하고 남은 요오드가 발생하였을 때 녹말 수용액의 녹말과 착물을 형성해 청색을 띄는 것을 통해 반응이 종말점임을 확인할 수 있었다.

 

3) 색 변화를 보고 무엇을 판단할 수 있는가?

-색 변화를 통해 비타민C가 모두 요오드에 의해 산화가 일어났고 색 변화가 일어난 순간 남은 요오드가 발생한 순간임을 판단할 수 있다.

 

4) 시행마다 색이 일정하지 않은 것이 실험결과에 어떤 영향을 끼치는가?

-시행마다 적정에서 한 방울씩 일정하게 요오드 용액을 넣어주는데 종말점에 도달하기 1방울 전에 남은 비타민C의 양은 각기 다를 것이다. 마지막 한 방울을 넣어주고 비타민C와 반응하고 남은 요오드의 양이 각각 또한 다르니 녹말과 반응하고 생성된 착물의 양에 따라 색의 진하기가 다를 테니 실질적으로 사용된 요오드 용액의 부피는 아주 조금씩 다를 것이다. 어떤 실험은 조금 과량으로 측정이 되고 말이다.

 

5) 요오드 용액 제작 시 황산을 넣어주는 이유는?

-요오드는 물에 용해가 잘되지 않는다. 그래서 적정에 사용할 수 없는데 이번 실험에서는 KIO3와 KI를 이용하는데 두 물질은 물에 그냥 용해시키면 서로 반응하지 않고 따로 존재한다. 이때 산촉매로 황산을 넣어주게 되면 이때 I2를 형성하게 된다. 이를 통해 요오드 용액을 제작하게 되고 황색을 띄는 것을 확인할 수 있다.

 

6) 왜 시판 비타민C 음료들은 묽혀서 사용하는가?

-비타민C는 원래 건조에 안정하지만 용액 상태일 때는 산화가 쉽게 일어나기 때문에 비타민C 음료를 그대로 사용할 시에는 비타민C가 음료에 녹은 용액이기에 산화가 일어나는 것을 막기 위해 비타민 음료 10mL에 증류수 90mL를 더 넣어줌으로써 적정 진행 중에 공기와의 접촉을 줄이려는 이유라고 생각된다.

 

7) 간접 요오드 적정법

-간접 요오드 적정법에서는 과량의 요오드 이온(I-)을 가하여 분석물을 환원시킨다. 이때 생성되는 요오드의 당량수는 용액 중에 존재하는 분석물의 당량수와 같다. 생성된 요오드는 티오황산나트륨을 사용하여 적정한다. 예를 들어, 구리(Ⅱ)를 간접 요오드 적정법으로 정량하는 경우 먼저 Cu(Ⅱ)가 함유된 용액에 과량의 요오드 이온을 가하면 고체 요오드화구리와 요오드가 생성된다. 이 때 생성된 요오드를 S2O32-용액으로 적정한다. 녹말-요오드 착물은 요오드 농도가 높을 때 생성되면 빨리 분해되지 않는다. 따라서 간접 요오드법 적정에서는 요오드의 대부분이 환원되어 거의 종말점에 도달하였을 때 녹말 지시약을 첨가해야 한다.