비색법은 화학적 양을 측정하는 가장 저렴한 방법입니다. 원하는 양에 따라 색이 변하는 시약을 첨가한 다음, 그 결과를 알려진 값의 기준 레퍼런스 세트와 비교하는 것입니다. 이는 전력도, 교정도, 시험관을 제외한 유리 기구도 필요로 하지 않습니다. 이것이 바로 비색법이 수영장과 어항 검사, 호수와 강에 대한 현장 조사, 그리고 병원에서 사용되는 진단 스틱의 표준 방법으로 여전히 사용되는 이유입니다. 그 한계 또한 명확합니다. 결과는 그것을 읽는 눈지만큼만 정확하며, 기준 레퍼런스의 간격만큼만 세밀합니다.
여기서 측정되는 양은 pH이며, pH = −log[H로 정의됩니다.3O+], 따라서 pH의 각 정수 단위는 하이드로늄 이온 농도의 10배 변화를 나타냅니다. 유니버설 지시약은 단일 색소가 아니라 여러 약산의 혼합물이며, 각 약산은 서로 다른 좁은 pH 범위에서 색이 변합니다. 이들의 산 해리 상수가 엇갈려 있기 때문에, 혼합물 전체가 pH 약 3에서 pH 10에 걸쳐 빨간색에서 노란색, 초록색을 거쳐 파란색으로 점진적으로 색이 변하며, 이 색상을 [H의 측정값 대신 사용할 수 있습니다3O+그렇지 않으면 전극이 필요할.
이 실험실에서는 기준 척도를 제공받는 대신 직접 구축하게 됩니다. 알려진 pH의 용액 25 mL 분량을 시험관 랙에 측정해 넣고, 각각에 만능 지시약을 다섯 방울씩 떨어뜨려 pH 3에서 pH 7까지의 색상 척도를 만듭니다. 그런 다음 호수물 시료를 같은 방식으로 처리하고, 그 색상을 척도와 비교하여 pH를 구하며, 시료가 알칼리성으로 판명될 경우 척도를 pH 8과 pH 9까지 확장하고, 마지막으로 색도법을 통한 결과가 얼마나 정확한지 확인하기 위해 pH 미터로 모든 시험관을 검사합니다.
교육 목표
로그 대수로서의 pH 이해하기
- pH의 정의는 pH = −log[H⁺]입니다.3O+] 그리고 pH와 하이드로늄 농도 사이를 양방향으로 변환합니다.
- pH 스케일은 로그 스케일이므로, pH 단위가 1씩 바뀔 때마다 수소 이온 농도는 10배씩 변합니다. pH 5는 pH 8보다 3단 낮기 때문에, 수소 이온 농도는 $10^3$ (즉, 1,000배) 더 높습니다. 따라서 pH 5인 시료는 pH 8인 시료보다 1,000배 더 산성입니다. pH 스케일이 대수적(logarithmic)이기 때문에, 0.5 pH 단위의 차이도 결코 작지 않습니다. pH가 0.5 감소한다는 것은 수소 이온 농도가 $10^{0.5}$ (약 3.16배) 증가함을 의미합니다. 즉, 농도가 3배 이상 증가하는 것으로, 화학적 및 생물학적 시스템에서 상당한 변화를 일으키기에 충분한 차이입니다.
비색 기준 척도 구축 및 사용
- 동일한 조건(같은 부피, 같은 방울 수, 같은 시험관)에서 일련의 기준 시험관을 준비하고, 이러한 조건들이 하나도 빠짐없이 일정하게 유지되어야 하는 이유를 설명하시오.
- 일련의 표준 색견표와 비교하여 미지 시료의 pH를 결정하고, 단일 수치가 아닌 범위로 답을 제시하시오.
- 샘플이 척도를 벗어날 때 이를 인식하고 추측하는 대신 척도를 확장하십시오.
지시약 및 유리 기구의 취급 방법
- 눈금 실린더에 25 mL를 계량한 뒤, 드롭퍼를 사용하여 정해진 횟수만큼 떨어뜨립니다.
- 시험관의 용액을 흘리지 않도록 잘 섞고, 다음 용액이 오염되지 않도록 시험관 사이에 전극을 씻고 건조시키십시오.
한 방법을 다른 방법과 교차 검증하기
- 각 튜브의 색채 측정 결과를 pH 미터의 측정값과 비교하여 그 차이를 표로 작성하십시오.
- 두 가지 방법이 무엇을 측정하는지, 그리고 왜 전극이 그중 더 신뢰할 수 있는 방식인지 설명하시오.
시각적 방법의 한계를 판단하기
- 1 pH 단위의 눈금을 가진 저울이 지원할 수 있는 가장 정밀한 분해능은 0.1 pH 단위이며, 이는 눈금 사이를 눈으로 어림하여(간척하여) 읽음으로써 개선될 수 있습니다.
- 지시약 자체가 측정 중인 시료의 pH를 변화시키는 조건들을 식별하시오.
프로토콜
1부: 사용 가능한 pH 지시약을 사용하여 색도계를 준비하십시오.
- 계량 실린더를 사용하여 pH 3 용액 25mL를 측정하여 시험관 1에 붓습니다.
- pH 4, 5, 6, 7 용액과 시험관 2, 3, 4, 5를 사용하여 a) 단계를 반복합니다.
- 드로퍼를 사용하여 1번부터 5번까지의 시험관 각각에 pH 지시약을 5방울씩 떨어뜨립니다.
- 시험관의 내용물을 유리봉으로 섞거나, 마개를 막고 좌우로 부드럽게 흔들어 섞는다.
- 눈금 실린더를 사용하여 호수 샘플 25mL를 측정하고 시험관 6에 붓습니다.
- 스포이트를 사용하여 시험관 6에 pH 지시약 5방울을 떨어뜨리십시오.
- 시험관의 내용물을 유리봉으로 섞거나, 마개를 막고 좌우로 부드럽게 흔들어 섞으시오.
2부: 비색법을 사용하여 강물의 pH를 결정하십시오
- 수돗물 샘플을 카운터에 있는 색도계 척도와 비교하여 시험관 6에서 색상을 결정합니다.
pH가 7 이상으로 보이면 pH 8과 9 용액 및 시험관 7과 8을 사용하여 색도법 척도를 완성하십시오. pH가 7 미만이면, pH 측정기로 각 용액의 pH를 검증하기 위해 파트 3으로 진행하십시오.
- 계량 실린더를 사용하여 pH 8 용액 25mL를 측정하여 시험관 7에 붓습니다.
- 시험관 7에 pH 지시약을 스포이트로 5방울 떨어뜨리세요.
- pH 9 용액 25mL를 눈금 실린더로 측정하여 8번 시험관에 붓습니다.
- 드로퍼를 사용하여 시험관 8에 pH 지시약 5방울을 떨어뜨리세요.
- 시험관의 내용물을 유리봉으로 섞거나, 마개를 막고 좌우로 부드럽게 흔들어 섞는다.
- 이 새로운 척도(pH 3~9)를 사용하여 하천水의 pH를 다시 비교해 보세요.
3부: pH 측정기로 각 용액의 pH를 검증합니다.
- pH 미터 전극을 강물(시험관 6)이 들어 있는 시험관과 다른 시험관들에 넣어 각 용액의 pH를 검증하십시오.
- pH 측정기의 디지털 다이얼에 표시된 값을 기록하십시오.
잊지 마세요: 측정과 측정 사이에는 증류수로 전극을 헹구고 종이 타월로 말려야 합니다.
예상 결과
이 실험에는 단 하나의 정답이 존재하지 않습니다. 호수 물 시료의 pH 값은 활동을 다시 시작할 때마다 새로 측정되며 3에서 9 사이의 값을 보이기 때문에, 채점 대상은 학생이 보고한 수치 자체가 아니라 실험 절차, 그 수치에 대해 제시한 범위, 그리고 비색 측정 결과와 pH 측정기의 측정값 간의 일치 여부입니다. 반면, 기준 시료 시리즈 자체는 완전히 정해져 있습니다. pH가 알려진 8개의 시험관은 순서대로 범용 지시약 차트의 색상을 나타내야 하며, 순서가 뒤바뀌어서는 안 됩니다.
| 튜브 | 표준 pH | [H3O+] (mol/L) | 만능지시약에서 예상되는 색상 |
|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 1 × 10마이너스 3 | 빨간색에서 적황색으로 |
| 2 | 4 | 1 × 10−4 | 오렌지 |
| 3 | 5 | 1 × 10-5 | 노란주황색 |
| 4 | 6 | 1 × 10-6 | 노란색에서 연두색으로 |
| 5 | 7 | 1 × 10−7 | 초록색 |
| 6 | 샘플 | 추후 결정 | 샘플이 무엇을 제공하든 간에; 다른 것들과 대조됨 |
| 7 | 8 | 1 × 10−8 | 청록색 |
| 8 | 9 | 1 × 10−9 | 파랑 |
pH 척도가 말해주는 것. pH = −log[H이기 때문에3O+], pH 5은 [H3O+] = 10-5 mol/L 및 8에서 10 사이의 pH−8 mol/L: 산성 시료는 알칼리성 시료보다 하이드로늄을 천 배 더 많이 함유하고 있습니다. 색상 일치 작업이 시작되기 전에 이 점을 명시할 가치가 있는데, 그 이유는 시료를 “약 6 또는 7”로 읽는 학생은 하이드로늄 농도에서 10배의 범위를 인용하고 있는 셈이기 때문입니다. 민물에서도 이는 생물학적으로 중요합니다. 대부분의 어류 알은 대략 pH 5.5 아래에서는 부화하지 못하며, pH 4인 호수는 사실상 생물이 살 수 없는 상태가 됩니다.
유범 색지시약이 점진적으로 색이 변하는 이유. 단일 지시약은 두 형태가 서로 다른 색상을 갖는 약산입니다: HIn ⇌ H+ 안에−, K와 함께a = [H+][In−] / [HIn], 따라서 [In−] / [HIn] = Ka /[H+]. pH = pK에서a 두 형태가 동일한 양으로 존재하며 색상은 그 중간이고, pH가 1단위 낮아지면 비율이 1 : 10이 되어 산성 색상이 우세해지고, 1단위 높아지면 1 : 10이 되어 염기성 색상이 우세해집니다. 따라서 단일 색소는 사용 가능한 변색 범위가 약 2개의 pH 단위에 불과하며, 이것이 바로 “범용” 지시약이 pK를 가진 네두 다섯 가지 색소의 혼합물인 이유입니다.a 값은 대략 두 단위 간격으로 떨어져 있습니다. 차트 위의 연속적인 무지개는 어떤 단일 분자의 거동이 아니라 그러한 겹치는 전이들의 합입니다.
왜 다섯 방울이며, 왜 모든 튜브에 똑같이 다섯 방울인가. 이 지시약은 그 자체로 약산이기 때문에, 첨가되는 용액에 하이드로늄 이온을 공급합니다. 5방울은 대략 0.25 mL이며, 25 mL 시료의 약 1/4에 해당합니다. 이는 완충된 표준 용액에는 영향을 미치지 않을 만큼 적은 양이지만, 완충 효과가 미약한 자연수(호수 시료가 바로 그런 경우일 수 있음)에는 충분하지 않을 수 있습니다. 관마다 다른 수의 방울을 첨가하면 색의 농도도 달라지는데, 이는 pH가 변하지 않더라도 비교 결과를 왜곡시킬 수 있습니다. 이는 전체 측정 결과가 달려 있는 유일한 절차적 요점이며, 유의할 필요가 있습니다.
pH 미터가 추가하는 것. 유리 전극은 네른스트 관계식 $E = E$를 통해 하이드로늄 활성도에 반응합니다.0 25 °C에서 pH당 -0.0592 × pH, 즉 pH 단위당 59.2 mV이며, 미터기는 그 전압을 단순히 숫자로 변환합니다. 여기에는 두 가지 결과가 따릅니다. 첫째는 해상도입니다. 0.1 pH까지 표시하는 미터기는 6 mV의 변화를 구별해내는 반면, 1단위씩 색이 변하는 색상표는 주의 깊은 관찰자라 할지라도 대략 0.5 pH 단위보다 더 정확하게 읽어내기 어렵습니다. 둘째는 두 방법이 독립적이므로, 3부는 단순한 반복이 아니라 실제 검증에 해당하며, 예상되는 결과는 모든 시험관에서 대략 ±0.5 pH 이내로 일치하는 것입니다. 8개의 시험관 전체에서 한쪽 방향으로 체계적인 불일치가 발생한다면 이는 미터기의 교정 문제를 가리키며, 시료에서만 불일치가 발생한다면 지시약이 완충되지 않은 물의 pH를 변화시켰음을 가리킵니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
집중 관찰, 어휘, 그리고 세심한 기법. 학생들은 로그를 다루지 않고도 자신만의 눈금을 만들어 사용합니다.
활동
- 각 튜브에 25 mL씩 측정해 넣고 각 튜브에 지시약 다섯 방울을 정확히 떨어뜨린 후, 모든 튜브에서 이 두 가지 수치가 왜 같아야 하는지 설명하시오.
- 각 기준 튜브와 시료의 색상을 표에 기록하고, 척도의 양끝을 산성, 중성, 알칼리성으로 표시하십시오.
- 호수 물의 pH를 단일 숫자가 아닌 “6과 7 사이”와 같은 범위로 나타내십시오.
- 각 튜브의 pH 미터 수치를 읽고 색상표가 그 수치와 일치하는지 확인하세요.
- pH를 색상 비교로 측정하는 일상적인 장소 세 곳: 1. 수영장 (물 상태 확인) 2. 어항 (물고기 서식 환경 유지) 3. 화분 또는 토양 검사 키트 (정원 가꾸기).
11학년
집중 두 방법의 로그 눈금과 정량적 비교.
활동
- 시리즈의 모든 표준 pH를 [H를 사용하여 하이드로늄 농도로 변환합니다.3O+] = 10-pH, 그리고 두 열을 나란히 표로 만드세요.
- 가장 산성인 표준 용액이 가장 알칼리성인 용액보다 몇 배 더 산성인지 밝히고, 그 답을 pH 차이와 비교하여 확인하십시오.
- 여덟 개 튜브 모두에 대해 색채 측정값과 미터 측정값을 표로 작성하고 각각의 차이를 계산한 뒤, 그 불일치가 우연 오차인지 계통 오차인지 밝히시오.
- K를 사용하여 설명하시오.a = [H+][In−] / [HIn], 단일 지시약이 약 2 pH 단위에 걸쳐 색이 변하는 이유.
- 각 튜브에서 지시약 용액이 차지하는 분율을 계산하고, 그것이 무시할 수 있을 만큼 충분히 작은지 논증하시오.
12학년 / 대학교 수준
집중 두 악기의 물리적 기초, 오차 분석 및 방법에 대한 비판.
활동
- E = E에서 전극의 해상도를 유도하시오.0 − 0.0592 × pH 식에서 0.1 pH 변화에 해당하는 전압 변화를 구하고, 이것이 미터의 입력 임피던스에 대해 무엇을 시사하는지 말하시오.
- 약산성 지시표를 완충 능력이 약한 자연수에 첨가하면 pH가 변할 수 있는 이유를 설명하고, 명시된 지시표 농도와 비완충 시료에 대해 pH 변화의 상한선을 계산하시오.
- 실제 호수에 대한 조사를 어떻게 설계할 것인지—조사 지점 수, 하루 중 시간, 깊이, 온도 보정—제안하고, 단 하나의 시료가 호수에 대해 거의 아무것도 알려주지 못하는 이유를 설명하시오.
실험실 필수품
악기
- 스토퍼가 있는 시험관 8개 (랙 포함)
- 눈금실린더 (25 mL)
- 스포이트
- 유리봉
- 비커 (50 mL 및 250 mL)
- 전극이 포함된 pH 미터
- 컬리메트릭 pH 차트 (포스터, pH 0~14)
- 키친타월
제품
- pH 표준 용액 (pH 3 ~ pH 9)
- 호수 물 샘플 (pH는 3과 9 사이에서 무작위로 설정)
- 범용 지시약 용액