알 수 없는 액체를 산성, 염기성, 또는 중성 염으로 분류하는 것은 분석가가 그 액체를 가지고 가장 먼저 하는 일이며, 여기에 사용되는 세 가지 테스트는 이 업계에서 가장 오래된 것들입니다. 한 쌍의 리트머스 종이는 비용이 거의 들지 않으며 몇 초 만에 답을 줍니다. 액체에 담근 두 개의 전극과 직렬로 연결된 전구는 액체가 이온을 운반하는지 여부를 보여줍니다. 마그네슘 조각은 산성 용액에서는 거품을 내며 반응하고 다른 모든 액체에서는 가만히 있습니다. 이 테스트들은 단 한 번의 기계 측정 없이도 염을 산과 염기에서 구별해 주며, 이것이 바로 이 테스트들이 수질 현장 키트와 학교 실험실 모두에서 살아남아 있는 이유입니다.
세 테스트가 반응하는 대상은 각각 다르며, 그것이 바로 세 가지 모두를 실행하는 이유입니다. 리트머스는 색상이 pH에 따라 달라지는 염료이므로 하이드로늄(hydronium) 농도를 나타냅니다. 전구는 이동성 이온에 반응하며, 모든 가용성 이온 화합물은 그것이 산성, 염기성 또는 중성이든 상관없이 이온을 공급하므로, 전도성은 산과 염기를 구별하는 것이 아니라 이온 용액과 분자 용액을 구별합니다. 마그네슘은 하이드로늄 이온에만 반응하여 산화되어 Mg가 됩니다.2+ 동안 H3O+ 수소 가스로 환원된다. 세 가지 테스트, 세 가지 다른 질문; 오직 그것들의 조합만이 용액을 식별한다.
이 실험실에서 여러분은 0.1 mol/L 염화나트륨, 염산, 수산화나트륨에 대해 세 가지 테스트를 모두 수행하고, 각각의 전도도, 두 리트머스 종이의 색상, pH 시험지 측정값, 그리고 마그네슘 반응 결과를 기록할 것입니다. 그런 다음 1 mol/L 염산의 네 가지 희석액(10 mL를 각각 30 mL, 60 mL, 100 mL로 묽힌 것, 그리고 1 mL를 100 mL로 묽힌 것)을 준비하고, pH 미터로 다섯 가지 산 1용액 모두의 pH를 측정합니다. 두 번째 부분은 첫 번째 부분의 대략적인 pH 눈금을 정량적인 눈금으로 바꾸고, 강산의 pH가 그것이 얼마나 희석되었는지를 나타내는 로그값에 불과하다는 것을 보여줍니다.
교육 목표
증거를 바탕으로 용액 분류하기
- 리트머스 종이, pH 시험지, 전기 전도도, 그리고 마그네슘과의 반응을 종합하여 미지의 용액이 산성인지, 염기성인지, 혹은 중성염인지 판정하시오.
- 4개의 테스트 중 어떤 테스트가 세 클래스를 실제로 구별하고 어떤 테스트가 그렇지 않은지, 그리고 그 이유는 무엇인지 설명하시오.
악기 다루기
- 전도도 검출기를 작동하고, 이전 액체의 흔적이 전구에 불을 켜지 못하도록 용액들 사이에서 전극을 헹구고 건조하십시오.
- pH 시험지를 색상표와 비교하고 pH 미터의 디스플레이를 읽은 후, 두 방식 중 어느 것이 더 정밀한지, 그리고 얼마나 더 정밀한지 밝히시오.
지시약으로서의 리트머스와 pH 종이
- 리트머스는 pH 약 4.5에서 8.3의 변색 범위를 가지는 염료이며, 두 장의 리트머스 종이 모두 색이 변하지 않는 것은 테스트 실패가 아니라 긍정적인 결과(해당 용액이 중성임을 의미)를 나타냅니다.
- 브래킷 값을 제공하는 단색 시험지와 대략적인 값을 제공하는 범용 시험지를 구별하시오.
전도도와 용존 이온
- 용액에서의 전도 현상은 이온들의 이동으로 설명됩니다. 전해질이 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 해리되는데, 전압이 가해지면 이 양이온들은 음극으로, 음이온들은 양극으로 이동합니다. 이와 같은 하전된 입자들의 정향성 이동이 전류를 흐르게 하여 전구에 불이 켜지게 합니다. 세 가지 0.1 mol/L 용액 모두 전구에 불을 켜는 이유는, 이들 모두 수용액 상태에서 전구에 전류를 통과시키기에 충분한 수의 이온을 생성하는 전해질(강전해질이든 약전해질이든 최소한의 해리 수준을 가짐)이기 때문입니다.
- 탐지기가 전구에 불을 켜는 대신 숫자를 보고했다면 세 가지 중 어느 것이 가장 잘 전도할지 예측하고, 이온 이동성(ionic mobilities)을 바탕으로 그 예측을 정당화하시오.
희석과 대수적 pH 척도
- 희석 후 용액의 농도를 mol/L와 g/L 단위로 계산하고, 메스실린더를 사용하여 올바르게 조제하시오.
- 강일가성 산의 경우 pH의 상승이 희석 배수의 상용로그와 같음을 보이고, 이를 이용하여 측정하기 전에 pH를 예측하시오.
안전 및 폐기
- 1 mol/L 염산과 0.1 mol/L 수산화나트륨을 다룰 때에는 장갑과 보안경을 착용해야 하며, 두 물질 중 어느 것이 더 심각한 눈 손상을 유발하는지 알고 있어야 합니다.
- 마그네슘에서 발생한 수소는 화염으로부터 멀리하여 포집하고, 모든 용액은 회수용 용기에 버리십시오.
프로토콜
파트 A: 산, 염기 및 염의 성질
- 전기 전도도 검출기(ECD)를 켜세요.
- 0.1M NaCl 용액 10mL를 비커 A에 붓습니다.
- ECD 전극을 증류수로 세척하고 흡수성 종이로 닦아내십시오.
- 전극을 용액 A에 담그십시오. 전구가 켜지는지 여부를 관찰하고 그 결과를 결과 표에 기록하십시오.
- 0.1M HCl 용액과 0.1M NaOH 용액을 비커 B와 C에 담아 2단계부터 4단계까지 반복합니다.
- 용액 A에 파란색 리트머스 종이 조각과 빨간색 리트머스 종이 조각을 담그십시오. 결과 표에 얻은 색깔을 기록하십시오.
- pH 시험지를 용액 A에 담가 색상표를 이용해 pH를 측정하십시오. 결과를 표에 기록하십시오.
- 솔루션 B와 C로 6단계와 7단계를 반복하세요.
- 용액 A에 마그네슘 조각을 넣고 결과 표에 관찰 내용을 기록하시오.
- 솔루션 B와 C로 9단계를 반복하십시오
B부: 산성 용액의 농도와 pH
- 100mL 눈금 실린더에 1M HCl 용액 10mL를 붓습니다.
- 증류수를 30mL 눈금까지 채워주세요.
- 실린더의 내용물을 1번으로 표시된 100mL 비커에 붓습니다.
- 100mL 눈금 실린더에 1M HCl 용액 10mL를 붓습니다.
- 증류수를 60mL 눈금까지 채우세요.
- 원통의 내용물을 2번으로 표시된 100mL 비커에 붓습니다.
- 100mL 눈금 실린더에 1M HCl 용액 10mL를 붓습니다.
- 증류수를 100mL 눈금까지 채우시오.
- 실린더의 내용물을 3번으로 표시된 100mL 비커에 붓습니다.
- 1mL의 1M HCl 용액을 10mL 눈금 실린더에 붓습니다. 그런 다음 그 용액을 100mL 눈금 실린더에 붓습니다.
- 증류수를 100mL 눈금까지 채우시오.
- 실린더의 내용물을 4번으로 표시된 100mL 비커에 붓습니다.
- pH 미터를 사용하여 1M HCl 용액과 1번부터 4번 용액의 pH를 측정하십시오. 그 결과를 결과 표에 기록하십시오.
- 측정 사이에 pH 측정기를 증류수로 헹구고 종이로 닦는 것을 잊지 마십시오.
예상 결과
파트 A — 산, 염기, 그리고 염의 성질. 세 용액 모두 0.1 mol/L이고 세 용액 모두 강전해질이므로, 세 용액 모두 전구에 불을 켭니다. 그것들을 구별해 주는 것은 리트머스 종이, pH 시험지, 그리고 마그네슘입니다.
| 해결책 | 수행한다 | 푸른색 리트머스 종이 | 붉은 리트머스 종이 | pH 시험지 | 마그네슘 | 클래스 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A — NaCl 0.1 mol/L | 네 | 파란색으로 유지됩니다 | 빨간색으로 유지됨 | 7 | 반응 없음 | 중성염 |
| B — 염산 0.1 mol/L | 네 | 빨갛게 변한다 | 빨간색으로 유지됨 | 1 | 격렬한 발포 | 강산 |
| C — NaOH 0.1 mol/L | 네 | 파란색으로 유지됩니다 | 파랗게 변하다 | 13 | 반응 없음 | 강염기 |
소금이 두 종이 모두에 아무런 변화를 주지 않는 이유. 리트머스는 대략 pH 4.5에서 8.3 사이에서 색이 변하므로, “4.5 미만” 또는 “8.3 초과”만을 나타낼 수 있습니다. 염화나트륨은 Na로 해리됩니다.+ 그리고 Cl−, 강염기와 강산의 짝염기와 짝산이며, 둘 다 물로부터 양성자를 받지도 않고 물에 주지도 않는다. 따라서 용액은 pH 7을 유지하고, 두 리트머스 종이 모두 원래 색을 유지하며, 그 일련의 무반응이 중성 염에 대한 확실한 확인이 된다.
어째서 세 가지 행동 모두. 전도에는 이동이 자유로운 이온이 필요하며, 세 화합물 모두 0.1 mol/L에서 완전히 해리되어 모든 비커에서 0.2 mol/L의 이온을 생성합니다. 따라서 전구는 세 가지 모두에서 켜지며, 산만 전도할 것이라고 예상하는 학생은 “이온성'과 ”산성'을 혼동한 것입니다. 그러나 이 세 가지가 모두 똑같이 좋은 전도체는 아니며, 전구가 흥미로운 무언가를 숨기고 있는 유일한 곳이 바로 여기입니다.
| 용액 (0.1 mol/L) | 공급된 이온 | Λm0 (S·cm2/몰) | 전도도 κ (mS/cm) | 친척 |
|---|---|---|---|---|
| 염화수소 | H3O+ + 염소− | 426 | 약 39 | 3.6 |
| 수산화나트륨 | 나+ + 오− | 248 | 약 22 | 2.1 |
| 염화나트륨 | 나+ + 염소− | 126 | 약 11 | 1.0 |
왜 산만이 마그네슘을 공격하는 것일까. 마그네슘이 산화되고 하이드로늄이 환원됩니다: Mg(s) + 2 H3O+ → Mg2+ + H2(g) + 2 H2O 또는 보통 쓰이는 형태로는 Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2. 구동력이 크다: Mg의 E°2+Mg는 수소 커플의 0.00 V에 대해 −2.37 V이므로, 전지 전위는 +2.37 V이고 반응은 기포의 흐름으로 볼 수 있을 만큼 충분히 빠릅니다. 소금물에는 물보다 더 강한 산화제가 없으며, 수산화나트륨 속에서는 금속이 불용성 Mg(OH)₂의 부착성 피막에 의해 보호됩니다.2; 둘 다 반응이 없는 것으로 기록된다. 비커 B의 거품은 수소이며, 이 실험실의 어느 곳에서든 생성된 유일한 기체이다.
파트 B — 농도 및 pH. 동일한 1 mol/L 원액(질량 농도는 1.00 mol/L × 36.46 g/mol = 36.5 g/L임)으로부터 4가지 희석액이 만들어집니다. 각 희석액은 C를 따릅니다.dVd = CnVn, 그래서 Cn = CdVd/Vn. 해결책 1의 경우, C1 = 36.5 g/L × 10 mL / 30 mL = 12.2 g/L이며, 동일한 대입으로 나머지를 구합니다.
| 해결책 | ~로 준비된 | 희석 배수 | 집중 | 집중 | 예상 pH |
|---|---|---|---|---|---|
| 참조 | 1 mol/L HCl, 원액 | 1 | 1.00 mol/L | 36.5 g/L | 0.00 |
| 1 | 10 mL → 30 mL | 3 | 0.333 mol/L | 12.2 g/L | 0.48 |
| 2 | 10 mL → 60 mL | 6 | 0.167 mol/L | 6.1 g/L | 0.78 |
| 3 | 10 mL → 100 mL | 10 | 0.100 mol/L | 3.65 g/L | 1.00 |
| 4 | 1 mL → 100 mL | 100 | 0.0100 mol/L | 0.36 g/L | 2.00 |
강산의 pH는 그 산의 희석도의 로그이다. 염산은 완전히 이온화하므로, [H3O+]은(는) 조제된 농도와 같고 pH = −log C입니다. 농도를 나누기 기준 f 따라서 pH를 로그만큼 높입니다. f, 그것뿐이며, 그 한 가지 진술이 표의 모든 행을 설명합니다. log 3 = 0.48, log 6 = 0.78, log 10 = 1.00 및 log 100 = 2.00으로, 이들은 추가 계산 없이 얻어지는 네 가지 pH 값입니다. 또한 실험 048의 단계들은 모두 동일한 반면 이 계열의 단계들이 고르지 않은 이유도 설명해 줍니다. 여기서는 희석 배수가 일정한 10이 아니라 3, 6, 10, 100이기 때문입니다.
저울을 거꾸로 읽기. 눈금이 로그 스케일이기 때문에, pH 1단위는 [H의 10배를 나타냅니다.3O+]: pH 2.00의 용액 4는 pH 0.00인 스톡 용액의 하이드로늄 농도가 100분의 1이고, 용액 3의 10분의 1입니다. 반대 방향으로 가면, [H3O+] = 10-pH, 따라서 0.78이라는 측정값은 10에 해당합니다.−0.78 = 0.166 mol/L이며, 이는 용액 2의 농도를 유효숫자 세 자리까지 복원합니다. 양방향으로 계산을 수행할 수 있다는 점이 바로 pH 미터를 색상 비교가 아닌 농도 측정기로 만들어 줍니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
집중 네 가지 테스트를 신중하게 실행하고 각각이 무엇을 보여주는지 설명하기.
활동 직접 관찰을 통해 세 용액 모두에 대한 파트 A 표를 완성하고, 어느 용액이 산이고, 어느 용액이 염기이며, 어느 용액이 염인지 밝히고, 각각을 결정한 단일 테스트의 이름을 대고; 셋 모두에 대해 전구에 불이 켜진 이유를 설명하고; 마그네슘과 염산의 반응에 대한 워드 방정식을 쓰고 기체의 이름을 대고; 네 가지 희석액을 준비하고 산이 희석될수록 pH가 높아진다는 점에 유의하여 다섯 가지 pH 측정값을 순서대로 나열하십시오.
11학년
집중 희석의 산술과 대수적 눈금.
활동 C로부터의 네 가지 희석액 각각의 농도를 계산하시오dVd = CnVn, mol/L과 g/L 단위 모두로 대입 과정을 보여주고; 측정하기 전에 각각의 pH를 −log C로 예측한 뒤 측정값과 비교하고; 측정된 각 pH를 다시 하이드로늄 농도로 환산하고; 네 용액 모두에서 pH의 상승이 희석 배수의 로그값과 같음을 보이고; 마그네슘 반응식을 완결하고 0.10 g 리본이 상온 조건에서 발생시킬 수 있는 수소의 부피를 계산하시오.
12학년 / 대학교 수준
집중 작동 원리, 정밀도, 그리고 각 방법의 한계.
활동 수소 이온($H^+$)의 비정상적으로 높은 몰 전도도는 그로스투스 메커니즘(Grotthuss mechanism)이라는 독특한 메커니즘으로 설명됩니다. 일반적인 이온들은 물속에서 직접 이동(전기 영동)하며 확산하지만, $H^+$는 물 분자 네트워크를 통해 양성자가 연속적으로 "점프"하는 방식으로 이동합니다. 수소 이온이 실제 물리적으로 빠르게 이동하는 것이 아니라, 수소 결합 네트워크를 따라 전하가 매우 빠르게 전달되기 때문에 몰 전도도가 비정상적으로 높게 나타납니다. 수산화 이온($OH^-$) 역시 이와 유사한 메커니즘으로 높은 몰 전도도를 가집니다.3O+ 그리고 오− 물분자 사이의 양성자 이동 측면에서, 세 용액의 전도도 비를 예측하고, K를 사용하여 염화나트륨 용액의 pH를 정량적으로 설명하십시오.w 그리고 가수분해가 일어나지 않는다는 가정하에, 0.1의 측정된 pH를 1 mol/L 원액과 일치시키는 데 필요한 활동도 계수를 추정하고 편차의 방향에 대해 논평하십시오. -log C와 일치하지 않는 두 개의 미터 판독값을 식별하고 불일치 정도를 정량화하십시오. 전도도 테스트를 변별력 있게 만들 수 있는 대조 실험을 제안하고 그 결과를 예측하십시오. 리트머스 종이, pH 시험지, 유리 전극의 정밀도가 각 단계마다 대략 한 자릿수씩 차이가 나는 이유를 논의하십시오.
실험실 필수품
악기
- 전구와 전극이 있는 전기 전도도 검출기(ECD)
- pH 미터
- 핀셋
- 흡수지
- 눈금 메스실린더 (100 mL)
- 눈금실린더 (10 mL)
- 비커 50 mL (3개, A, B, C로 라벨링됨)
- 비커 100 mL (4개, 1부터 4까지 번호 매김)
- 스톡 용액 비커 (4개, 시약 벤치 위)
- 푸른색과 붉은색 리트머스 종이
- 색상표가 포함된 범용 pH 시험지
- 휴지통
제품
- NaCl 0.1 mol/L (용액)
- 0.1 mol/L 염산 (용액)
- NaOH 0.1 mol/L (용액)
- 염화수소 1.0 mol/L (용액, 36.5 g/L)
- 마그네슘 리본
- 증류수