046 – pH

물에서 일어나는 거의 모든 화학 과정은 그 물이 얼마나 산성 또는 염기성인지에 민감합니다. 혈액은 7.4라는 pH 수치의 약 10분의 1 범위 내로 유지되고, 토양의 pH는 어떤 작물이 자랄지를 결정하며, 산업 폐수는 방출되기 전에 pH 규제를 받습니다. pH를 신뢰할 수 있게 측정하고 특정 측정을 얼마나 신뢰해야 하는지 아는 것은 분석 화학에서 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다.

그 양 자체는 로그 방식으로 정의됩니다: pH = −log₁₀[H⁺], [H 위치에⁺]은 리터당 몰 단위의 수소 이온 농도입니다. 이 저울은 대수적이기 때문에 하나의 정수 단위는 산도의 10배 변화를 나타냅니다. pH 3인 용액은 pH 5인 용액보다 수소 이온을 100배 더 많이 함유하고 있습니다. 25 °C에서의 순수한 물은 pH 7에 위치하며, 이는 [H⁺] 및 [OH⁻] 둘 다 10입니다⁻⁷ mol/L.

이 실험실에서는 정확도가 높아지는 순서대로 세 가지 방법을 사용합니다. 리트머스 종이는 용액이 산성인지 염기성인지만 알려줍니다. 유니버설 지시는 약 1 pH 단위 오차 범위 내에서 차트와 대조할 수 있는 색상을 만들어냅니다. 보정된 pH 미터는 100분의 1 단위까지 측정합니다. 여러분은 세 가지 미지의 액체에 이 세 가지 방법을 모두 적용한 다음, 수산화기(hydroxide group)도 없고 명백한 산성 수소도 포함하지 않는 화합물인 황산암모늄이라는 염을 용해시키고 그것이 분명한 산성 용액을 나타낸다는 것을 발견하게 될 것입니다. 그 이유를 설명하는 것이 이번 실습의 분석적 핵심입니다.

교육 목표

실험실 환경 익숙해지기

• 시작하기 전에 Proteus pH 실험실의 배치, 실험 기구 및 작업 순서를 파악하고, 리트머스 종이, 지시약 표, 웰 플레이트, 저울 및 pH 측정기를 찾아두십시오.

보호 장비 사용

• 산, 염기 및 미확인 용액을 취급할 때는 장갑과 보안경을 착용하고, 미지의 액체는 특성이 파악될 때까지 유해한 것으로 취급해야 한다는 점을 인지하십시오.

적절한 측정 방법 선택하기

• 세 가지 방법이 각각 무엇을 밝혀낼 수 있는지 구분해 보면, 리트머스는 산성에 대해 예 또는 아니오라는 대답을 주고, 만능 지시약은 pH를 약 1단위 범위로 좁혀주며, pH 미터는 약 0.01단위까지 정량적인 수치를 제공한다.
• 가능한 가장 정밀한 기기를 기본값으로 사용하는 대신, 질문에 부합하는 방법을 선택하세요.

pH 미터의 올바른 조작법

• 전극을 완전히 담그고, 값이 안정되면 디지털 디스플레이의 수치를 읽은 후, 시료 사이에 증류수로 헹궈내십시오.
• 헹굼이 중요한 이유: 강산성 또는 강알칼리성 용액의 소량이 딸려 넘어가기만 해도 다음 측정값이 크게 달라지며, 이러한 영향은 pH척도의 양 극단 사이를 이동할 때 가장 큽니다.

측정된 고체로부터 용액 준비하기

• 고체 시료를 전자저울로 칭량하고 손실 없이 옮긴 후, 측정된 부피의 증류수에 녹이고 용액이 균일해질 때까지 젓는다.
• 농도는 그것을 구성하는 질량과 부피 두 측정값 중 더 정밀도가 떨어지는 측정값만큼만 정확하다는 점을 인식하십시오.

pH 척도의 정량적 해석

• pH과 [H⁺] 사이의 변환⁺] 양방향으로 적용하고, 25 °C에서 pH + pOH = 14 관계를 사용하세요.

용해된 염이 산성, 염기성 또는 중성인지 예측하기

• 염의 모산(parent acid)과 모염기(parent base)를 식별하고, 그것들의 상대적 세기를 사용하여 그것이 형성하는 용액의 성질을 예측합니다 — 이는 황산암모늄 결과(ammonium sulfate result)를 설명하는 원리입니다.

프로토콜

제1부: 액체 물질의 산염기 성질 및 pH 결정

1. 눈금 실린더를 사용하여 용액 1 20 mL를 측정합니다.
2. 용액 1을 50mL 비커에 20mL 붓습니다.
3. 그것에 빨간색 리트머스 종이를 담그세요.
4. 그런 다음 파란색 리트머스 시험지를 담그십시오.
5. 마지막으로 pH 지시약 종이를 담그세요.
6. pH 차트에 있는 색상과 얻은 색상을 비교해보세요.
7. 증류수로 눈금 실린더를 헹구십시오.
8. 2번과 3번 물질에 대해 1단계부터 7단계까지 반복합니다.

파트 2: 범용 지시약을 사용하여 액체 물질의 pH 측정

1. dropper를 사용하여 50 mL 비커에서 용액 1을 꺼내십시오.
2. 그런 다음 점적기를 웰 플레이트의 1번 웰에 비웁니다.
3. 동일한 웰에 범용 pH 지시약 한 방울을 첨가하십시오.
4. 유리 막대로 젓습니다.
5. pH 차트에 있는 색상과 얻은 색상을 비교해 보세요.
6. 2번과 3번 물질에 대해 1단계부터 5단계까지 반복합니다.

파트 3: 액체 물질의 pH를 정확하게 결정

1. pH 측정기 전극을 용액 1이 담긴 비커에 담그십시오.
2. 디지털 디스플레이에서 측정값을 읽으십시오.
3. 전극을 증류수로 헹구십시오.
4. 흡수성 종이로 전극을 건조시키시오.
5. 2번과 3번 물질에 대해 1단계부터 4단계까지 반복합니다.

파트 4: 고체 물질의 pH 결정

1. 전자저울을 사용하여 황산암모늄 분말 약 1.8g을 칭량하십시오.
2. 눈금 실린더를 사용하여 증류수 100mL를 측정합니다.
3. 계량된 황산암모늄 분말을 250mL 비커에 붓습니다.
4. 눈금 실린더의 내용물을 같은 비커에 붓습니다.
5. 유리 막대로 5초간 저어주세요.
6. 암모늄 황산염 용액이 담긴 250mL 비커에 붉은색 리트머스 종이를 담그십시오.
7. 암모늄 설페이트 용액이 담긴 250mL 비커에 파란색 리트머스 종이를 담그세요
8. 암모늄 황산염 용액이 들어있는 250mL 비커에 pH 지시약 종이를 담그십시오.
9. pH 차트에 있는 색상과 얻은 색상을 비교해보세요.
10. pH 미터 전극을 황산암모늄 용액에 담그십시오.
11. 디지털 디스플레이의 측정값을 읽으세요.
12. 전극을 증류수로 헹구십시오.
13. 흡수성 종이로 전극을 건조시키시오.

예상 결과

네 가지 해결책. 먼저 세 가지 미지의 액체를 특성화하고, 황산암모늄 용액을 준비하여 파트 4에서 측정한다.

해결책	그것은 무엇입니까	붉은 리트머스 종이	푸른색 리트머스 종이	만능 지시약	pH 미터
1	에탄산, 5 % (부피비) (≈ 0.87 M)	빨간색으로 유지됨	빨갛게 변한다	빨간색에서 주황색으로	약 2.4
2	수산화나트륨, 0.1 M	파랗게 변하다	파란색으로 유지됩니다	파란색에서 보라색으로	약 13
3	증류수	변동 없음	변동 없음	초록색	약 7
4	황산암모늄, 100 mL당 1.8 g	빨간색으로 유지됨	빨갛게 변한다	노란색에서 주황색으로	약 4.9

숫자 뒤에 숨겨진 정의들. pH는 pH = −log로 정의된다₁₀[H⁺]. 25 °C의 모든 수용액에서 두 이온의 농도는 물의 이온곱 상수 [H⁺][OH⁻] = K_w = 1.0 × 10^-14, 여기서 pH + pOH = 14이다. 증류수는 [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol/L이며 따라서 pH 7입니다.

용액 2, 강염기. 수산화나트륨은 완전히 해리되므로 0.1 M 용액의 [OH⁻] = 0.1 mol/L 직접. 따라서 pOH = −log₁₀(0.1) = 1이고, pH = 14 − 1 = 13. 평형 계산이 필요 없으며, 이것이 강염기와 약염기를 구별하는 특징입니다.

용액 1, 약산. 에타산은 부분적으로만 해리되므로, 그 농도만으로는 충분하지 않으며 산 해리 상수도 필요합니다. 해리가 미미하게 일어나는 농도 C의 약산에 대해, K_a = x²/(C − x) ≈ x²/C (여기서 x = [H]⁺], 이는 작동 형태로 재배열됩니다:

pH = ½(pK_a − 로그₁₀C)

5 % 부피비 용액의 농도는 약 0.87 M이며, 아세트산의 pK는_a = 4.76이므로, pH = ½(4.76 + 0.06) = 2.41. 동일한 농도의 강산에 비해 이것이 얼마나 덜 산성인지 주목해 보라. 0.87 M 염산은 완전히 해리되기 때문에 2단원 이상 낮아 pH 0.06 부근에 위치할 것이다.

해결법 4: 염이 산성을 띠게 되는 이유. 황산암모늄은 수산화물기도 없고 분명하게 산성으로 보이는 수소 원자도 포함하고 있지 않지만, 그 용액은 명확하게 산성을 띤다. 그 이유는 그것이 다음의 염이기 때문이다 약염기 그리고 강산. 용해되면서 암모늄 이온과 황산 이온을 방출합니다:

(NH₄)₂그래서₄(s) → 2 NH₄⁺(aq) + SO₄²⁻(수용액)

암모늄 이온은 암모니아의 짝산이며 물에 양성자를 내어준다, NH₄⁺ → NH₃ + H⁺, pK와 함께_a = 9.25. 황산염 이온은 강산의 짝염기이며 사실상 구경꾼 이온입니다. 암모늄만 기여하며, 이는 용액을 산성으로 만듭니다.

각 화학식 단위는 공급합니다 둘 암모늄 이온, 따라서 100 mL에 1.8 g은 [NH₄⁺] = 2 × (1.8 / 132.14) / 0.100 = 0.272 M. 용액 1에 적용했던 것과 동일한 약산 식을 적용하면: pH = ½(9.25 − log₁₀0.272) = ½(9.25 + 0.565) = 4.91.

실제로 반응하는 양이 얼마나 적은지. 그 pH는 [H⁺] = 1.24 × 10^-5 mol/L로, 이는 존재하는 암모늄의 약 45ppm에 불과합니다. 2만 개 중 1개도 채 안 되는 암모늄 이온이 양성자를 내놓지만, 그럼에도 불구하고 이 용액은 중성에서 정확히 2 pH 단위만큼 떨어져 있습니다. 이는 pH가 얼마나 민감한지를 실험실에서 보여주는 가장 명확한 증거입니다. 거의 감지할 수 없는 정도의 반응이 측정값을 크게 이동시키는데, 정확히 그 눈금이 로그(대수) 기반이기 때문입니다.

용해도 확인. 황산암모늄의 용해도는 상온에서 약 744 g/L입니다. 이 용액은 18 g/L에 불과하므로 완전히 용해되며 측정을 복잡하게 만드는 고체 상태의 잔여물이 남지 않습니다.

학년별 과제 요약

9~10학년

• 집중 산성도를 측정하는 척도인 pH 척도와 정성적 검사 및 정량적 검사의 차이.
• 활동 붉은색과 푸른색 리트머스 종이를 사용하여 세 가지 미지 액체를 산성, 중성, 염기성으로 분류하고; 만능 지시약 색상을 차트와 비교하고; pH 미터기를 읽고 세 가지 결과를 나란히 기록하며; 황산암모늄 용액이 염임에도 불구하고 산성을 띤다는 것을 관찰하고, 아직 설명하지 않은 채 그 관찰 결과를 서술하시오.

11학년

• 집중 규모의 정량적 처리 및 강전해질과 약전해질의 구분.
• 활동 측정된 각 pH를 수소 이온 농도로 변환하고 다시 되돌립니다. pH + pOH = 14를 사용하여 제원리로부터 0.1 M 수산화 나트륨의 pH를 구하고 이를 측정기와 비교합니다. 강산과 약산이 동일한 농도에서 매우 다른 pH 값을 나타내는 이유를 설명합니다. 세 가지 방법의 정밀도를 비교하고 각각 어떤 목적에 적합한지 서술합니다.

12학년 / 대학교 수준

• 집중 약산 평형, 염의 가수분해, 그리고 단순화 가정의 한계.
• 활동 pH = ½(pK_a K에서 − log C)_a = x²/(C − x)를 도출하고, 이 식이 어떤 근사법에 근거하고 있는지 설명하시오. 측정 전에 황산암모늄 용액의 pH를 예측하되, 화학식 단위당 암모늄 이온 2개가 있다는 점을 고려하여 2를 곱한 값을 포함시키시오; 해리되는 암모늄의 비율을 계산하고, 그 결과가 로그 눈금의 민감도에 대해 시사하는 바를 논하라; 황산염을 ‘방관자’로 취급하는 것이 타당한지 논의하고, 그 가정에 의해 발생하는 오차의 방향과 크기를 추정하라.

실험실 필수품

악기

• 비커 (50 mL 및 250 mL)
• 웰 플레이트
• 스포이트
• 전자저울
• 유리봉
• 눈금실린더 (25 mL 및 100 mL)
• 주걱
• pH 미터
• pH 색상표
• 붉은 리트머스 종이
• 푸른색 리트머스 종이
• pH 시험지
• 키친타월
• 장갑과 보안경

제품

• 황산암모늄 (분말)
• 범용 지시약 (액체)
• 증류수
• 미상 액체 #1 — 아세트산 5 % (부피비)
• 미확인 액체 #2 — 0.1 M 수산화나트륨
• 미상 액체 #3 — 증류수