중화 적정 표준 용액 표준화 방법

  적정을 수행하기 위해서는 그 반응이 빠르게 종결되어야 하며, 눈으로 그 종말점을 쉽게 파악할 수 있어야 한다. 보통 용액의 색이 변하지 않을 때는 지시약을 이용하여 그 종말점을 파악한다. 산과 염기의 적정은 다음과 같은 반응으로 완결되는데

 

H₃O⁺(aq) + OH^-(aq) ⇄ 2H₂O(l)

 

이 반응을 중화(neutralization)라고 한다.

 

  이때 측정하고자 하는 산(혹은 염기)의 일정 부피에 대하여 표준물질(산에 대하여 염기)의 농도와 부피를 정확히 측정해야 한다. 산염기 적정에서 표준물질로 사용하는 적정 시약이 염기 시약일 경우 강염기인 NaOH 용액을 주로 사용하는데, 이 용액의 경우 그 농도를 정확히 정량하기 힘들다는 단점이 있다. 이는 시약을 측량하는 과정에서 NaOH 시약의 빠른 조해성 때문에 정확한 질량을 잴 수 없게 만든다. 따라서 상당한 오차를 가진 NaOH 용액은 다시 1차 표준물질을 이용하여 만든 표준용액으로 적정하여 사용한다. 이 과정을 표준화, 혹은 표정이라고 한다.

 

  1차 표준물질(primary standard)은 조해성이 없어서 공기 중에서 안전하게 다룰 수 있어야 하고, 순수한 결정이어서 순도가 높아야 하며, 몰 질량이 커서 질량 오차가 적어야 한다. 보통 산으로써 프탈산 수소 포타슘을 염기에 대한 1차 표준물질로 많이 사용한다. 산에 대한 표준물질은 염기성인 무수 탄산 소듐을 많이 이용한다. 이들 표준물질을 이용하여 정확한 농도의 표준용액을 만들어 NaOH 용액을 표정한 뒤에, 농도를 표준화 한 NaOH 용액을 이용하여 미지 산을 적정할 수 있다.

 

일차 표준물질(primary standard): 화학적으로 안정하고 순수하여야 하며 다음 조건을 갖추고 있어야 한다.

1. 구입하기 쉽고 조성이 변하지 않으며 정제, 건조할 수 있어야 한다.

2. 무게를 측정하는 동안 공기에 의하여 산화되지 않고 수분이나 CO₂를 흡수하지 않아야 한다.

3. 물에 잘 녹아야 한다.

4. 적정 시 반응이 정량적이고 빠르게 진행되어야 한다.

5. g 당량이나 분자량이 커서 질량을 잴 때 상대 오차가 작아야 한다.

 

✔ 프탈산수소포타슘(C₆H₄(COOH)(COOK)), Mw: 204.233

순수한 상품용 시약을 105 ℃에서 건조하여 염기를 표준화하는 데 사용한다. 페놀프탈레인 종말점을 이용한다.

 

✔ 요오드산수소포타슘(KH(IO₃)₂), Mw: 389.912

센 산이므로 종말점이 pH 5~9 사이에 있는 지시약을 사용한다.

 

✔ 트리스(히드록시 메틸)아미노메테인(H₂NC(CH₂OH)₃, Mw: 121.136

순수한 상품용 시약을 100~103 ℃에서 건조하여 센 산을 적정하는 데 사용한다.

종말점은 pH 4.5~5 범위이다.

 

✔ 탄산소듐(Na₂CO₃), Mw: 105.989

일차 표준물질급의 탄산소듐을 산으로 적정하면 pH 4~5의 범위에서 종말점이 나타난다.

종말점 전에 용액을 가열하여 CO₂를 제거하도록 한다.

 

✔ 붕소산소듐(Na₂B₄O₇·10H₂O) Mw: 381.367

재결정한 시약을 NaCl과 수크로오스로 포화시킨 수용액이 있는 용기 내에서 건조시킨다.

이것이 결정수 10인 10H₂O를 포함한 순수한 형태이다.

표준물질은 산으로 적정하며 지시약은 메틸레드를 사용한다.

 

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[ 0.1 M HCl 용액의 표준화 ]

 

1. 깨끗이 씻어 놓은 50 mL들이 뷰렛을 준비하고 이것을 표준화하려고 하는 HCl 용액(약 0.1 M)으로 3번 정도 씻는다.
2. 한 번에 약 10 mL 정도씩 써서 한 번 씻어 낼 때마다 뷰렛 속의 물기가 완전히 흘러내린 후에 다음번 씻는 조작을 해야 한다.
3. 이 뷰렛의 콕크를 잠그고 표준화하려고 하는 HCl 용액을 윗 눈금(0.00 mL)이 약간 넘을 정도로 채우고, 뷰렛의 콕크를 열어 뷰렛 아래쪽 끝에 들어 있는 공기를 제거한 후 뷰렛 윗 눈금에 메니스커스를 맞춘다. 뷰렛의 눈금은 메니스커스의 위치가 이동하지 않고 고정되었을 때에 읽어야 하는데, 적정 직전에 기록하면 좋다.
4. 표준 시약용 순수한 Na₂CO₃ 약 0.2 g을 화학 저울 위에 유산지를 올려놓고 0.1 mg까지 무게를 정확히 달아 측정된 질량을 기록하여 둔다. Na₂CO₃을 250 mL 삼각플라스크에 조심스럽게 넣고 소량의 증류수(약 5 mL)로 녹인다.
5. 플라스크 속의 용액 전체의 부피가 50 mL 되도록 증류수를 가하여 조절하고 여기에 페놀프탈레인 지시약 2~3방울을 가한다.
6. 뷰렛의 눈금을 기록한 후 HCl 용액을 서서히 가하여 가면서 잘 흔들어주거나 자석 젖개로 잘 저어 준다.
7. 붉은색이 아주 희미해지면 종말점에 가까워진 것이므로 더욱 천천히 그리고 조심스럽게 한 방울씩 하가여 마지막 한 방울로 무색이 되었을 때를 종말점으로 하여 뷰렛의 눈금을 읽는다.
   이것이 첫 번째 종말점에 해당한다.
   
                                                               CO₃^2- + H⁺ → HCO^3-
   
   
8. 이 용액에 또다시 메틸 오렌지 지시약 2~3 방울을 가하고 뷰렛으로부터 HCl 용액을 서서히 떨어뜨려 주황색이 나타날 때까지 적정한다. 이 용액을 조심스럽게 2~3분간 끓여서 녹아 있는 CO₂를 날려 보낸다.
9. 이때 다시 노란색으로 되돌아오면 삼각플라스크를 찬물로 냉각시켜서 실온으로 유지하고 계속해서 뷰렛으로부터 HCl 용액을 아주 조심스럽게 가하여 주황색으로 변할 때까지 적정하여 뷰렛의 눈금을 읽는다. 이것이 두 번째 종말점이다.
   
                                                             HCO^3- + H⁺ → H₂O + CO₂
   
   
10. 두 번째 종말점을 당량점이라 간주하고 소비된 HCl의 부피로부터 HCl 용액의 농도를 계산한다.

[ 바탕 시험 ]

 

  당량점의 pH는 7이고 메틸 오렌지의 변색점은 pH 3.1 이므로 변색점까지 여분으로 들어간 염산의 양을 알기 위해서는 두 번째 종말점에서의 액량과 같은 양의 1 M NaCl 용액을 취하여 메틸오렌지 2~3방울을 넣고 뷰렛으로부터 주황색이 될 때까지 염산 용액을 가한다. 이 양을 두 번째 종말점까지의 염산의 소비량에서 뺀 값이 더욱 정확한 염산의 소비량이 된다.

 

[ NaOH 0.1 M 용액의 표준화 ]

 

1. 위 실험에서 표준화된 약 0.1 M HCl 20.00 mL를 피펫으로 정확하게 취하여 삼각플라스크에 넣고 페놀프탈레인 2~3방울을 가한다. 표준화하려고 하는 NaOH 용액(약 0.1 M)을 50 mL들이 뷰렛에 넣고 메니스커스의 위치가 고정된 후 눈금을 읽고 삼각플라스크 속의 HCl 용액에 천천히 떨어뜨리면서 잘 저어준다.
2. 육안으로 겨우 알아볼 수 있을 정도의 엷은 분홍색이 적어도 10초 동안 없어지지 않고 남아 있을 때까지 조심스럽게 적정하여 뷰렛의 눈금을 읽는다.
3. 3번 적정한 값의 평균값을 구하여 NaOH 용액의 몰 농도(M)를 결정한다.

 

📚 참고문헌

일반화학실험 / 일반화학실험편찬위원회 / nosvos