순수한 물, 즉 증류수는 정확히 중성, 즉 pH 7.0이다. 이 중성 물은 분자 107(즉, 1000만)개 중의 한 개만이 H2O → H+ + OH- 으로 이온화 되어 있고, H+ 수와 OH- 수는 똑같다는 것을 의미한다. 여기서 양이온 H+ 는 산성 수소 이온이고, 음이온 OH- 는 염기성, 즉 알칼리 수산 이온이다. pH < 7.0 인 산성물은 pH 7.0인 중성 물과 비교했을 때, H+ 수가 OH- 수보다 더 많은 산성물이고, 반대로 pH인 중성 물과 비교했을 때 OH- 수가 H+ 수보다 더 많은 염기성, 즉 알칼리성 물이다.
세계보건기구가 정한 기준을 엄밀하게 따져 보면 pH 6.5 ~ 7.0은 산성영역이고, pH 7.10 ~ 8.5는 알칼리성 영역이다. 지나치게 산성이 강한 물도, 지나치게 알칼리성이 강한 물도 우리 건강에 나쁘다. 건강에 좋은 물은 중성이라야 된다. 하지만 중성인 물이 좋다고 해서 pH 7.0인 증류수를 많이 마시면 설사가 난다. 이온이 전혀 포함되어 있지 않아 위장의 이온 균형이 깨지기 때문이다. 그래서 먹는 물에는 적정량의 나트륨(Na+), 칼륨(K+), 마그네슘(Mg2+), 알루미늄(Al3+)등의 해롭지 않은 음이온이 들어 있어야 된다.
이런 양이온 및 음이온들이 함유된 물이 이온수이다. 이온수 중에서 2가 이상의 양이온인 Ca2+, Mg2+, Al3+ 등을 적게 함유한 물을 단물(연수)이라 부르고, 많이 함유란 물을 센물(강수)이라고 부른다. 일반적으로 지하수는 센물이고, 지표수는 단물이다.
🧪 실험 목적
수돗물 및 정수기물에 들어있는 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+)을 EDTA(Ethylenediaminetetraacetic acid)를 이용하여 물의 경도를 측정해 본다.
🧪 실험이론
천연수에는 일반적으로 여러 가지 무기이온들과 유기물들이 녹아 있을 수 있다. 특히 무기이온들 중 가장 많이 존재하는 양이온은 칼슘이온(Ca2+)과 마그네슘이온(Mg2+)이며, 칼슘염과 마그네슘염을 많이 함유하는 물은 센물이라 한다. 센물의 정도는 세기(또는 경도)로써 나타내며 세기가 1이라 하는 것은 보통 탄산칼슘이 1 ppm 녹아 있는 물을 의미하고, 이 값이 200 ppm 이상이면 센물, 그 이하이면 단물이라 한다. 또한 물의 세기는 칼슘이온의 함량을 ppm농도로 나타낸 마그네슘 세기로 표시하기도 하고, 칼슘과 마그네슘을 합한 양을 편의상 탄산칼슘의 함량으로 환산하여 나타낸 전체세기(총경도)로 표시하기도 한다.
| ppm | 경도(Degree of haedness) |
| 0 ~ 70 | Very Soft |
| 70 ~ 150 | Soft |
| 150 ~ 250 | Slightly Hard |
| 250 ~ 320 | Moderately Hard |
| 320 ~ 420 | Hard |
| above 420 | Very Hard |
물에 녹아 있는 칼슘이나 마그네슘의 함량은 EDTA(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid)를 이용한 킬레이트 적정법으로 정량분석 할 수 있다. EDTA는 (HOOCCH2)2NCH2CH2N(CH2COOH)2의 화학식을 가지며, 4염기산이므로 H4Y라고도 표시한다.
EDTA는 금속 이온 M+과 반응하여 킬레이트 착물 MnY(4-n)-를 형성한다.
H4Y + H2O ⇆ H3Y- + H3O+
H3Y- + H2O ⇆ H2Y2- + H3O+
H2Y2- + H2O ⇆ HY3- + H3O+
HY3- + H2O ⇆ Y4- + H3O+
EDTA는 여러가지 금속이온들과 반응하여 킬레이트 착물을 형성하는 성질이 큰 물질이다. EDTA이온 Y4-는 알칼리금속을 제외한 거의 모든 금속이온과 1 : 1로 반응하여 안정한 착물을 형성하고 이 때 그 구조는 다음과 같다.
금속 이온을 함유하는 용액을 EDTA용액으로 적정하여 소비량으로부터 금속 이온을 정량할 수 있다.
Mg2+ + Y4- ⇆ MgY2-
Ca2+ + Y4- ⇆ CaY2-
Al3+ + Y4- ⇆ AlY-
EDTA와 금속이온과의 착물 형성 반응에서 당량점은 주로 금속 지시약을 이용하여 결정한다. 예를 들면, 에리오크롬-블랙T (Eriochrom Black T ; E.B.T ; H3ln 로 표시)는 대표적인 금속지시약으로 킬레이트 적정에 가장 많이 이용된다.
EBT는 삼염기산이고 pH 6이하에서는 H2ln-의 붉은색을 띄고 pH 7과 11사이에는 주로 Hln2-의 푸른색을, 12이상에서는 주로 ln3-의 주황색을 띈다.
pH 7~11의 염기성 용액에서 EBT는 Mg2+와 반응하여 적색을 띈다. 이 용액에 EDTA를 가하면 EDTA는 먼저 유리상태로 있는 금속이온과 결합하고, 종말점 부근에서는 Mg2+에 결합되어있는 EBT와 EDTA가 치환되면서 Mg2+와 EDTA가 결합하여 종말점에서는 다음의 반응에서처럼 유리된 EBT의 청색이 나타난다.
| 당량점이전 | 당량점 | |||||
| 금속-금속지시약 | + | EDTA | → | 금속-EDTA | + | 금속지시약 |
| (붉은색) | (무색) | (무색) | (푸른색, 청자색) | |||
Mg2+와 E.B.T의 반응
Mg2+ + Hln2- ⇆ Mgln-(적색) + H+
종말점에서의 반응
Mgln- + H2Y2- ⇆ MgY2- + Hln2-(청색) + H+
착화법 적정시에는 용액의 pH가 착물형성에 큰 영향을 미치므로 용액의 pH를 최적조건으로 조정한 후 적정하여야 한다.
🧪 실험 기구 및 시약
삼각플라스크, 메스실린더, 피펫, 뷰렛, 0.001 M EDTA 표준용액, pH 10 완충용액(NH4OH/NH4Cl), EBT (Eriochrome Black T) 지시약, 0.001 M 시안화칼륨 (KCN)
🧪 실험 과정
① 시료로 사용할 수돗물, 정수기, 증류수 50.0 ml를 정확하게 측정하여 삼각플라스크(or 비커)에 넣는다.
② KCN 용액 2 ~ 3 방울, pH 10 완충 용액(NH4OH/NH4Cl) 1 ml 넣는다.
③ EBT 지시약을 5 방울을 가한다.
④ 삼각 플라스크에 있는 용액에 0.001 M EDTA 수용액으로 적정하여 삼각 플라스크의 용액색이 붉은색에서 푸른색으로 변할 때 적정을 중지한다.
⑤ 얻은 수치로부터 물속에 존재하는 Ca2+와 Mg2+의 총량을 구하고 CaCO3의 질량으로 환산하여 ppm 단위로 물의 경도를 계산한다.
🧪 실험 결과 및 분석
물의 경도 (hardness)는 물에 존재하는 칼슘과 마그네슘의 총량을 이에 대응하는 탄산칼슘 (CaCO3)의 양으로 환산하고 ppm 농도로 표시한다.
| 0.001 M EDTA | ||||
| 구분 | 1회 | 2회 | 3회 | 평균 |
| 정수기 (50 ml) | 5.0 ml | 5.4 ml | 6.1 ml | 5.5 ml |
| 수돗물 (50 ml) | 41.8 ml | 42.9 ml | 44.0 ml | 42.9 ml |
| 증류수 (50 ml) | 1.9 ml | 2.5 ml | 2.7 ml | 2.37 ml |
▸ 수돗물 및 정수기물의 경도계산
M(시료의 몰농도) × V(시료의 부피) = M'(EDTA의 몰농도) × V'(EDTA의 부피)
M(수돗물) × 50 mL = 0.001 MEDTA × 42.9 mL
M(수돗물) = 8.58 × 10-4 M(Ca2+,Mg2+)
M(정수기) × 50 mL = 0.001 MEDTA × 5.5 mL
M(정수기) = 1.1 × 10-4 M(Ca2+,Mg2+)
CaCO3의 분자량은 100.087 g/mol 이므로 수돗물 1,000 mL 속에 존재하는 CaCO3의 양은
수돗물 MCaCO3 = 8.58 × 10-4 M(Ca2+,Mg2+) × 100.087 g/mol
수돗물 MCaCO3 = 0.0859 g/L = 85.9 mg/L = 85.9 ppm
정수기 MCaCO3 = 1.1 × 10-4 M(Ca2+,Mg2+) × 100.087 g/mol
정수기 MCaCO3 = 0.0011 g/L = 1.1 mg/L = 1.1 ppm
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