#8. 생활 속의 산과 염기 분석

1. 실험 제목 : 생활 속의 산과 염기 분석

 

2. 실험 목적 : 산과 염기의 중화반응을 이용하여 산이나 염기의 농도를 알아낸다.

 

3.시약 및 실험기구 :1M HCl, 1M NaOH, 제산제(83.3%(w/w), 수산화마그네슘), 식초(아세트산)

시약명	화학식	몰질량(g/mol)	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/mL)
염산	HCl	36.46	-27.32	110	1.18
수산화소듐	NaOH	39.997	328	1390	2.13
수산화마그네슘	Mg(OH)2	58.3197	350	불연성	2.34
아세트산	CH₃COOH	60.052	16.7	117.9	1.05

실험도구 : 눈금실린더, 250mL 삼각 플라스크, 50mL 비커, 막자와 막자사발, 시약 수저, 마그네틱 바, 페놀프탈레인 용액, 뷰렛 클램프, 50mL 뷰렛, 스탠드, 가열 교반기

 

4. 이론

 

1) 중화반응

중화반응은 산과 염기가 반응하여 물과 염기를 형성하는 반응이다. 화학적 친화력이 강한 것끼리 결합하여 열역학적으로 안정한 상태가 되기 위해 2종류 이상의 화합물이 반응할 때 그들의 성분이 교환되어 새로운 2종류의 화합물이 생기는 반응인 복분해 반응(교환반응)에 속한다. 알짜 반응식은 다음과 같다.

중화반응이 완결되기 위해서 수소 이온과 수산화 이온의 몰수가 같아 모두 물로 생성되어야 한다. 그러므로 산 수용액의 몰농도 M과 부피 V, 염기 수용액의 몰농도 M*과 부피 V*에 대하여 다음이 성립한다.

위의 식을 이용하여 우리가 넣어준 HCl이나 NaOH의 양을 구하게 된다.

 

 

2) pH

pH는 25℃ 물에서 이온화된 수소 이온의 농도의 역수를 로그를 취해 나타낸 값이다. 식은 다음과 같다.

수소 이온의 농도가 높을수록 산성인데 위의 식에서 분모의 값이 점점 커지게 되어 pH의 값이 점점 작아지게 된다. 이는 pH<7이라면 산성으로 판정하고 pH=7이면 중성, pH>7이라면 염기성으로 판정한다. pH 이외에도 pOH로 수산화 이온을 통해 판정하는 방식도 있다.

 

3)적정법

적정이란 분석물과 완전히 반응하는데 필요한 표준 용액의 부피를 측정하여 분석물의 농도를 알아내는 방법이다. 직접 적정과 역적정 2가지 방식이 있다. 직접 적정은 표준 용액을 분석물 용액에 가하는 과정이다. 이번 실험에서는 분석물에 해당하는 식초의 농도를 알아내기 위해 표준 용액으로 1M NaOH를 이용한다. 그리고 역적정은 과량의 표준 용액을 가한 후, 반응하고 남은 표준 용액을 또 다른 표준 적정 용액으로 적정하는 방식이다. 이는 주로 분석물과 표준 용액 사이의 반응 속도가 느릴 때 사용하게 된다. 분석물과 표준 용액 사이의 반응이 느리다면 1방울씩 떨어트리며 용액의 pH를 확인해야 하는데 실험 시간이 상당히 이러면 길어지기 때문이다. 이번 실험에서 제산제는 코팅이 되어 있어 표준용액으로 쓰일 반응이 느려지게 된다. 그래서 증류수에 먼저 제산제를 녹여주고 HCl을 과량 넣어주어 산성으로 만들어주고 이 용액을 다른 표준용액 1M NaOH로 적정을 진행하여 NaOH의 반응량을 넣어준 HCl의 양에서 빼주어 제산제의 수산화 마그네슘과 반응량을 구하고 2로 나눔으로써 제산제에 존재했던 수산화나트륨을 양을 구해준다.

 

4) 표준 용액, 당량점, 종말점

표준 용액은 정확하게 농도가 알려진 용액으로 이번 실험에서는 식초 분석에서는 NaOH를 제산제 분석에서는 HCl, NaOH 2가지를 이용한다. 당량점은 분석물과 표준 용액이 화학량적으로 반응이 모두 이루어진 이론적인 지점으로 이를 통해 실험 전 필요한 표준 용액의 부피를 예측할 수 있다. 종말점은 적정 과정 중 당량점의 신호가 나타나는 실험적인 지점이다.

 

5) 지시약

지시약이라는 것은 화학적 변화가 일어나는 과정을 명확하개 관찰하도록 넣어주는 물질을 말한다. 관찰할 수 있는 것은 색의 변화, 침전 형성, 거품 형성, 온도 변화 등으로 나타나는 것들이다. 주로 색의 변화를 통해 화학적 변화를 확인한다. 지식약의 종류는 산염기 지시약, 산화-환원 지시약, 착물 지시약, 금속 이온 지시약, 흡착 지시약 등이 있다. 산염기 지시약은 지시약을 통해 종말점을 확인하려고 쓰이는데 산염기 지시약의 물질 자체가 약한 산성과 염기성을 띄는 유기 화합물로 용액의 액성에 따라 색이 변하게 된다. 우리는 특정 pH 부근에서 갑자기 색이 변하기 때문에 용액의 액성을 확인할 수 있다.

	산	염기
페놀프탈레인	무색	붉은색
메틸오렌지	붉은색	노란색
BTB 용액	노란색	파란색
리트머스 종이	푸른색->붉은색	붉은색->푸른색

지시약의 반응식은 다음과 같다. lnd-가 지시약의 색을 결정하게 된다.

두 번째 식은 산도 상수로부터 도출된 것이다. 이 식에 대해서 설명하자면 pH가 해당 지시약의 pKa 값과 같다면 항이 제거되고 로그 안의 값들을 차로서 나누면 lnd-와 Hlnd의 농도가 같다는 것을 나타낸다. 그래서 둘이 각각 나타내는 색이 같은 세기로 나타나고 pH가 pKa보다 크다면 로그 안의 값이 커져야 하므로 lnd-의 농도가 커져야 합니다. 따라서 lnd-가 나타내는 색이 우세해진다. 반대의 경우는 Hlnd가 나타내는 색이 우세해진다.

 

6) 산-염기

시약	산	염기
맛, 촉감	신맛	쓴맛, 미끌미끌함
반응	이온화 경향이 큰 금속과 반응해 수소기체 형성, 염기와 중화 반응을 함.	산과 중화 반응을 일으킴.
수용액	전해질로 전류가 잘 통함.	전해질로 전류가 잘 통함,
종류	염산, 탄산, 인산, 황산, 아세트산, 포름산 등.	수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 칼슘, 암모니아 등.

산은 산끼리 공통된 특징을 나타내고 염기는 염기끼리 공통된 특징을 나타내고 각각 산성, 염기성이라 일컫고 그는 위의 표에 나타내었다.

몇 가지 산과 염기의 특징을 정리하면 염산은 PVC, 고무의 원료, 위산의 성분으로 무색무취이다. 탄산은 이산화탄소가 물에 녹아 생기는 산으로, 탄산의 수용액을 탄산수라고 한다. 탄산은 산의 세기가 매우 약한 이염기산이며, 수용액에서 이온화할 때에는 탄산 이온 또는 탄산수소 이온을 만든다. 인산은 흰 인이나 붉은 인을 공기 중에서 태우면 흰색의 가루인 오산화인이 생긴다. 오산화인은 습기를 잘 흡수하기 때문에 실험실에서는 건조제로 쓰인다. 이것이 물에 녹으면 인산이 되는데, 찬물에 녹으면 메타인산이 된다. 이 메타인산을 오래 두든지 가열하면 인산으로 된다. 인산은 무색이고 기둥 모양의 결정을 하고 있으며, 조해성이 강해 물에 잘 녹는 성질이 있다. 수산화 나트륨은 공기 중의 수분을 이용해 스스로 녹는 조해성을 갖기 때문에 비누나 세제 등을 만드는데 이용한다. 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산 나트륨을 형성하기도 한다. 수산화 칼륨은 조해성을 갖으며, 비누나 배터리를 만드는데 이용한다. 수산화 칼슘을 물에 녹이면 석회수가 되며 이산화탄소와 반응하면 앙금 생성 반응을 통해 탄산 칼슘을 생성한다.

 

7) 산, 염기의 정의

	산	염기
아레니우스	수용액에서 H+을 내놓는 물질	수용액에서 OH-을 내놓는 물질
브뢴스테드-로우리	H+를 내놓는 분자나 이온	H+를 받는 분자나 이온
루이스	전자쌍을 받는 물질	전자쌍을 제공하는 물질

아레니우스의 정의는 수용액에서 직접 그 물질이 H+, OH-를 내놓아야 정의를 만족한다. 그렇기 때문에 만족하는 산, 염기 물질의 범위가 가장 좁다. 그 다음으로 브뢴스테드-로우리의 정의가 범위가 넓으며 그 다음으로 루이스의 정의가 넓다. 아레니우스 정의를 만족한다고 반드시 브뢴스테드-로우리와 루이스의 정의를 만족하는 것은 아니며 브뢴스테드-로우리의 정의를 만족하면 루이스의 정의를 만족한다.

 

5. 실험방법

 

1) 식초 분석

250mL 삼각 플라스크의 무게를 측정하여, 식초 10mL를 넣어주고 질량을 다시 측정한다.

증류수를 20mL 넣어 주고 플라스크를 흔들어 준다.

페놀프탈레인 용액을 2방울 넣어 준다.

50mL 뷰렛을 1M NaOH로 washing을 해준다.

50mL 뷰렛을 1M NaOH로 채워 준다.

마그네틱 바를 넣어준다.

교반하면서 적정을 해준다.

초기에는 용액의 색이 옅은 분홍색에서 무색으로 빠르게 변한다. 그러나 종말점에 가까워지면 색깔이 무색으로 변하는 시간이 길어져 간다. 1M NaOH 용액 한 방울을 넣어서 엷은 분홍색이 30초 이상 남아 있으면 종말점으로 취급하고 그때 사용한 1M NaOH의 부피를 측정한다.

2번 더 측정을 반복해준다.

 

2) 제산제 분석

제산제 2정을 막자사발에 갈아 0.5g을 취한다.

제산제 0.5g을 250mL 삼각 플라스크에 넣어 준다.

삼각 플라스크에 증류수 50mL를 첨가해 흔들어 섞어준다.

삼각 플라스크에 1M HCl 25mL를 넣어준다.

삼각 플라스크에 마그네틱 바를 넣어준다.

제산제가 녹을 때까지 삼각 플라스크를 가열해준다. 다 녹으면 상온에서 식혀준다.(제산제가 코팅되어 있어 뿌옇게 보인다.)

페놀프탈레인 2방울을 넣어준다.

교반을 하면서 표준용액 1M NaOH로 적정을 해준다.

색이 나타나기 시작하면 1M NaOH 표준용액을 한 방울씩 떨어트리면서 색변화를 관찰한다. 종말점이 가까워지면 색깔이 없어지는 시간이 점점 길어지게 된다. 엷은 분홍색이 30초 이상 남아 있으면 종말점으로 취급하고 NaOH의 부피를 확인한다.

9. 1번 더 측정을 반복해준다.

 

6. 관찰

1) 식초 분석

250mL 플라스크의 질량을 측정하고 식초 10mL를 넣어주고 질량을 다시 측정한다. 그리고 증류수 20mL를 첨가해준다.

페놀프탈레인 용액을 2방울씩 넣어주고 교반기에 교반을 진행하며 적정을 한다. 페놀프탈레인 용액을 넣어도 무색을 띄고 있다.

종말점이 가까워지기 전에는 1M NaOH를 떨어트리며 무색으로 돌아오는 시간이 빠르지만 종말점이 가까워지면 무색으로 돌아오는데 걸리는 시간이 길어지게 된다. 점점 엷은 분홍색으로 있는 시간이 길어지고 30초 이상 걸려 거의 종말점임을 알 수 있고 NaOH의 부피를 측정하였다.

2) 제산제 분석

제산제 2정을 막자사발에 갈아주고 0.5g을 취한다.

증류수 50mL를 넣어주고 제산제를 교반을 통해 녹여주고 식혀준 뒤 1.0M HCl 25mL를 추가로 넣어준 뒤 페놀프탈레인 용액 2방울을 넣어준다. 무색을 띄고 있다.

교반을 진행하면서 1M NaOH를 통해 적정을 진행한다. 처음에는 거의 무색으로 용액이 유지되었으나 점점 순간적으로 분홍색을 띄다가 분홍색으로 있는 시간이 길어져 종말점임을 확인하였다. 그리고 NaOH의 부피를 측정하였다.

 

1) 식초 분석

식초의 질량: 9.804g

NaOH 표준 용액의 몰농도: 1M

소비된 NaOH의 부피: 10.5mL

소비된 NaOH의 몰수: 0.105mol

아세트산의 질량: 0.630g

식초 속의 아세트산 %(w/w)농도: 6.30%

오차율: 이론적으로 식초의 아세트산 농도는 6%~7%로 오차가 거의 없다.

 

2) 제산제 분석

제산제의 질량: 5g

넣어 준 HCl의 몰농도: 1M

넣어 준 HCl의 부피: 25mL

넣어 준 HCl의 몰수: 0.025mol

NaOH 표준 용액의 몰농도: 1M

소비된 NaOH의 부피: 9.95mL

소비된 NaOH의 몰수:0.00995mol

남은 HCl의 몰수: 0.0151mol

제산제는 Mg(OH)2이므로 제산제의 몰수: 0.00752mol

제산제 중 Mg(OH)2의 질량: 0.439g

제산제 속의 Mg(OH)2의 %(w/w) 농도: 87.8%

오차율: -0.0535%

 

7. 토의

 

1) 오차 원인 분석 및 해결방법

: 식초의 분석에서는 오차가 거의 없이 측정되었으나 제산제의 분석에서 이론적으로 제산제에는 수산화마그네슘이 83.3% 포함되어 있지만 계산 결과는 이보다 높게 측정되었다. 먼저, 이는 우리가 지시약을 통해 색으로 종말점을 보는 것이기 때문에 거의 근사적으로 일치하는 중화점을 찾는 것은 어려운 일이다. (게다가 페놀프탈레인 용액은 중성에서는 무색을 띄어 산성에서 중성으로 변할 때 알 수 없어 붉은색의 염기성이 되기 전인 분홍색으로 보는 것이기에 중성보다는 염기성에 가깝게 된다.) 그렇지만 이 경우는 오히려 반응한 수산화 이온이 많아서, 즉 수산화마그네슘과 반응한 수소 이온의 수가 줄이는 의미이기에 제산제 속 수산화마그네슘의 농도를 줄이는 영향을 끼치기에 다른 요인이 있을 것이다. 이는 반응한 수소 이온이 많거나 수산화마그네슘이 많거나 수산화 이온이 적은 요인이다. 본 실험에서 제산제 2정을 갈아서 사용했기에 갈아 놓은 가루 어느 부분이라도 수산화마그네슘의 양이 반드시 일정하지는 않을 것이다. 실험에서 0.5g에서 83.3%의 0.4165에 거의 근접하는 수산화마그네슘이 아니라 그보다 많은 수산화마그네슘이 실험에 이용되어 오차가 생겼을 것이다. 이를 해결하기 위해서는 무리일 수 있으나 제산제 1정을 갈아 실험에 모두 사용하는 방법이 있다.

 

2) 이론이 어느 부분에서 적용되었는가?

: 본 실험에서 식초와 제산제를 분석하는데 있어 각각에 들어있는 아세트산, 수산화마그네슘의 양을 확인하기 위해 이들과 반응한 수산화 이온, 수소 이온을 양을 알아야 한다. 이때 ‘몰농도*부피=몰수’의 공식을 활용하는데 식초 분석에서는 사용된 1M NaOH의 부피를 통해 1M*부피(L)로서 중화반응에 참여한 수산화 이온을 계산해 식초 10mL에 들어있는 아세트산의 양을 계산해 농도를 구할 수 있었고 제산제는 반응한 수소 이온의 양의 구하기 위해 반응하고 남은 수소 이온을 구해 1M*0.025L로 몰수를 구해 차를 구해줌으로써 수산화마그네슘과 반응한 수소 이온의 양을 확인해 수산화마그네슘의 양을 알 수 있었고 농도를 구할 수 있었다. 적정과정에서 식초는 직접 적정을 활용하고, 제산제는 제산제의 코팅으로 인해 직접 적정은 시간이 상당히 오래 걸리기에 역적정을 활용하였다.

 

3) BTB 용액은 산성, 중성, 염기성 각 경우 색이 상이한데 지시약으로 페놀프탈레인 용액을 쓰는 이유는 무엇일까?

pH7을 정확히 측정하는 것은 무리이지만 본 실험에서는 강산(HCl)-강염기(NaOH)의 적정이 이루어진다.

위위의 그림을 보게 되면 강산-강염기의 적정 곡선이다. 강산과 강염기의 적정에서는 그래프를 보면 중간 부분의 기울기가 급격히 커지듯이 극소량의 차이만으로도 pH의 변화가 급격히 일어나 변색이 일어나기 페놀프탈레인 용액도 사용한다.