#5. 천연지시약 제조와 메틸오렌지 합성 실험

1. 실험 제목: 천연지시약 제조와 메틸오렌지 합성

 

2. 실험 목적: 천연지시약을 만들고 다이아조늄염의 coupling reaction을 통해 메틸오렌지를 합성하여 산염기 지시약으로 역할을 하는지 알아본다.

 

3.시약 및 실험기구: 설파닐산, N,N-다이메틸 아닐린, 탄산소듐, 아질산소듐, 아세트산, 염산, 수산화소듐

시약명	화학식	몰질량(g/mol)	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/mL)
설파닐산	C6H7NO3S	173.19	288		1.485
N,N-다이메틸 아닐린	C8H₁₁N	121.18	1.5~2.5	193~194	0.956
탄산소듐	NaNO₂	105.99	851	1600	2.54
아질산소듐	NaNO₂	69.00	271		2.168
아세트산	CH₃COOH	60.05	15~16	116~117	1.049
염산	HCl	36.46	-27.32	110	1.18
수산화소듐	NaOH	40.00	328	1388	2.13

 

실험도구: 적양배추, pH시험지, 메틸오렌지, 250mL 삼각플라스크, 비커, 바이알, 스포이드, 가열교반기, 온도계, 감압여과장치, 각종음료수(토레타, 오렌지음료, 식초)

 

4. 이론

 

1) 산-염기의 정의

아레니우스의 정의: 수용액에서 수소 이온을 내놓는 물질은 산이고, 수산화이온을 내놓는 물질은 염기라 한다.

정의의 한계: 수소 이온이나 수산화 이온을 내놓지 않는 염기, 수용액 조건이 아닐 경우

ex) 암모니아(NH₃)

 

2. 브뢴스테드-로우리 정의: 양성자를 주는 물질을 산, 양성자를 받는 물질을 염기라고 한다. 반응에 따라 산으로 작용하고 때로는 염기로도 작용하는 물질을 양쪽성 물질이라고 한다. 

위의 첫 번째 반응에서 양성자를 주는 산은 염산이고 양성자를 받는 염기는 물이다. 그리고 밑의 반응식에서 양성자를 주는 산은 물이고 양성자를 받는 염기는 암모니아이다. 이런 식으로 물과 같이 산과 염기로 모두 작용할 수 있는 물질을 양쪽성 물질이라고 한다. (참고로 아레니우스의 정의로는 구분할 수 없었던 암모니아는 브뢴스테드-로우리 정의를 이용하면 염기로 분류할 수 있다.)

3. 루이스 정의: 가장 폭넓은 정의로 다양하게 적용이 가능하다. 비공유 전자쌍(고립 전자쌍)을 받는 물질을 산, 비공유 전자쌍을 주는 물질을 염기라고 정의한다. 아레니우스 정의나 브뢴스테드-로우리 정의로 설명할 수 없는 산과 염기까지 설명이 가능하다.

NH₃의 N이 비공유 전자쌍을 BF₃의 B에게 주면서 결합을 형성하게 된다. 이때 전자쌍을 주는 NH₃는 염기에 해당하고 전자쌍을 받는 BF₃는 산에 해당한다.

정의에 따라 루이스 정의가 폭이 넓기에 브뢴스테드-로우리 정의를 만족하면 루이스 정의도 만족한다. 그렇지만 아레니우스 정의를 만족한다고 해서 반드시 루이스 정의도 만족하지는 않으니 주의한다.

 

2) pH(수소 이온 지수)

수용액 속에 녹아있는 수소이온의 농도에 –log를 취해 간단하게 나타낸 값으로 수소 이온의 농도가 높을수록 pH는 작아지고 농도가 작을수록 pH는 커진다. 물의 이온화 곱 상수는 1.0*10^(-7)으로 수소이온의 농도가 이보다 높다면 산성, 같다면 중성, 이보다 작다면 염기성을 띈다.

3) 지시약

수용액의 액성에 따라 다른 색깔을 나타내는 물질로 수용액의 액성을 구별하거나 산을 염기로 또는 염기를 산으로 중화시킬 때 중화되는 지점을 확인하는 데 사용된다.

	산성		중성	염기성		변색 pH
리트머스	붉은색			푸른색		4.5~8.3
메틸 오렌지	붉은색		노란색	노란색		3.1~4.5
BTB	노란색		초록색	파란색		6.0~7.6
페놀프탈레인 용액	무색		무색	붉은색		8.3~10.0
적채 지시약	붉은색	보라색	자주색	청록색	노란색	-

4) 지시약-메틸오렌지

pH<3.1이라면 메틸오렌지는 붉은색을, pH>4.4라면 노란색을 띈다.

 

메틸오렌지는 위와 같은 반응을 거쳐 만들어진다. 먼저 가장 왼쪽에 있는 설파닐산이 탄산소듐과 2:1의 반응몰수비로 반응을 하고 2의 몰수 비율로 다이아조늄염을 형성하게 된다. 그리고 다시 한번 이때 생성된 다이아조늄염을 N,N-다이메틸 아닐린과 1:1의 몰수 비율로 반응을 하고 1의 몰수 비율로 메틸오렌지를 형성하게 된다.

5) 안토시아닌

꽃이나 과실 등에 주로 포함되어 있는 색소로 수소 이온 농도에 따라 빨간색, 보라색, 자주색, 청록색, 노란색, 파란색 등을 띈다. 꽃이나 과일 등이 다양한 색을 가질 수 있게 해주는데, 식물체 안에서 여러 금속 이온과 반응해 다양한 색깔을 만들어 내게 한다.

 

5. 실험방법

1) 양배추 지시약의 제조

(양배추를 잘게 잘라야 색이 잘 우러남.)

1. 붉은 양배추 25g을 잘게 썰어서 250mL 비커에 넣는다.

2. 양배추가 잠길 만큼 비커에 증류수 50~100mL를 넣는다.

3. 양배추가 든 비커를 가열교반기 위에 놓고 30분간 가열한다.

4. 가열된 비커를 식혀 양배추 용액만 새 바이알에 따라낸다.

 

2) 메틸오렌지 합성

1. 250mL 삼각플라스크에 증류수 100.0mL를 넣고 탄산소듐 275.0mg 과 설파닐산 1.0g을 넣고 가열기에서 약 5분간 교반하며 가열한다.

2. 시료가 완전히 녹으면 실온까지 식힌 후 교반을 시키면서 얼음 중탕에서 차게 식힌다.(온도는 10도 이하로 내려가게 한다.

3. 바이알 병에 증류수 10mL와 염산 1mL를 넣고 얼음 수조에 넣어 식히고 여기에 아질산소듐 375.0 mg 을 첨가한다.)

4. 3에서 만든 염산을 반응시키는 용기에 피펫으로 천천히 넣어준다.

5. 다이아조늄염이 생길 때까지 약 10분간 얼음 중탕에서 반응시킨다.

6. 시험관에 N,N-다이메틸 아닐린 0.7mL와 아세트산 0.5mL를 섞은 후 5번 용액에 넣는다.

7. 위 용액을 10분 교반한다.

8. 반응이 완결된 용액에 10% 수산화소듐 용액을 pH 8~9가 될 때까지 조금씩 가해준다.

9. 위 용액을 15분 가열하여 침전을 다 녹인 후 염화소듐을 10g 넣어준다.

10. 위 용액을 실온까지 식힌 후 감압여과한다.

11. 수득률을 구한다.

12. 메틸오렌지 지시약을 만들어 여러 가지 용액에 넣어 용액을 구별해 본다.

 

주의사항

시약으로 준비한 음료수는 직접 맛보지 않는다.

2. 가열 교반기를 사용할 때 화상에 주의한다.

3. 강산 강염기를 다룰 때는 항상 주의한다.

4. 실험 도중에 색변화를 잘 관찰하고 기록한다.

 

6. 관찰

적채를 잘게 찢고 약 25g 무게를 측정하고 증류수를 넣어주고 교반을 진행한다.

탄산소듐과 설파닐산을 각각 약 275mg과 1.0g을 측정해 증류수에 넣어주고 교반을 한다. 그리고 온도는 10℃ 이하로 내려가게 얼음 중탕을 해서 차게 식힌다.(온도유지를 위해 찬물을 넣어주면 좋다.)

얼음 중탕 후 증류수 10mL와 염산 1mL로 희석시킨 용액을 넣어주니 왼쪽부터 2개의 사진과 같은 색변화가 나타났다. 그리고 이후 N,N-다이메틸 아닐린 0.7mL와 아세트산을 0.5mL 섞은 용액을 넣어주니 마지막 사진과 같이 붉은색으로 색변화가 나타났다.

시간이 지나 더욱 붉어졌고 수산화소듐을 넣어주자 점차 주황색으로 변화하였다. 결과물을 여과장치로 걸러주고 나서 걸러진 메틸오렌지와 거름종이는 마지막 사진과 같았다.

 

 

결과

수득률

이론적인 수득량: 1.896g

수득량: 1.11g

수득률: 1.11/1.896*100=58.5%

아래 표에 측정된 색을 쓰시오.

	식초	이온음료	오렌지 음료	NaOH 수용액
천연지시약	밝은 분홍색	연한 분홍색	귤색	밝은 노란색
시판용 메틸오렌지	빨간색	오렌지 레드	음료 색과 비슷	주황색
합성한 메틸오렌지	레드 브라운	새먼	음료 색과 비슷	주황색

 

6.토의

 

1) 메틸오렌지 합성 과정 중 NaCl을 첨가하는 이유

카페인 합성 실험 때와 같이 메틸오렌지를 여과장치를 이용하여 분리할 때 이를 염석효과를 통해 촉진하고자 첨가한 것으로 생각된다. 이온화되면서 상대적으로 물과 친수성이 강한 이온들이 생겨나면서 상대적으로 메틸오렌지 분자의 물에 대한 용해도를 낮춤으로써 여과를 돕고자 함인 것 같다.

 

2) 오차 원인 분석

수득률은 58.5%에 그치는 결과가 나타났다. 이는 넣어준 설파닐산과 탄산소듐의 반응과 다이아조늄염과 다이메틸 아닐린의 반응이 완전히 일어나지 않은 것과 거의 모두 일어났으나 염석효과를 이용했음에도 불구하고 메틸오렌지가 용액에 용해된 것으로 생각해볼 수 있다. 또한 NaOH를 pH7~8이 될 때까지 넣었음에도 노란색을 띄지 않고 주황색을 나타내었다는 것을 통해 실험 과정상 오류를 일으키는 요인이 있었던 것으로 생각해 볼 수 있다.

 

3) 이론이 어느 부분에서 적용되었는가?

설파닐산과 탄산소듐이 2:1의 몰수비로 반응하여 다이아조늄염을 2의 비율로 생성하고 N,N-다이메틸아닐린과 1:1의 몰수비로 반응하여 메틸오렌지를 1의 비율로 생성함으로 처음에 사용한 물질들의 몰수를 구해 반응을 따라 몰수를 계산함으로써 이론적인 메틸오렌지의 수득량을 계산하여 실제 수득량과 비교해 수득률을 구할 수 있었다.

 

4) 시판용 메틸오렌지와 합성 메틸오렌지의 비교

식초와 이온음료에서는 지시약에 의한 색변화에 차이가 존재하였지만 오렌지 음료와 NaOH 수용액에서는 색이 거의 똑같이 변화가 일어났다.

 

5) 천연지시약으로 사용할 수 있는 물질 알아보기

적채 외에도 천연지시약으로 사용할 수 있는 물질에는 고구마, 비트, 제비꽃 등이 있다. 아래는 고구마를 이용해 지시약을 만들어 사용한 결과이다.

6) 생활 속 산염기 적정 중 식초 속 아세트산 적정시 메틸오렌지를 산염기 지시약으로 사용 가능한가?

생활 속의 산염기 적정 실험에서는 메틸오렌지 지시약을 적용해볼 때 먼저 위의 그림을 보게 되면 약산을 사용했을 때의 적정 곡선이다. 왼쪽은 약산-강염기, 오른쪽은 약산-약염기의 적정곡선인데 메틸오렌지 지시약은 모두 변색 구간이 용액의 액성이 변화를 보이는 부근보다는 산성용액의 pH가 증가중인 구간에서 변색이 일어나 아세트산의 적정에는 사용하지 않는 것이 적절한 것으로 생각된다.