수질 모니터링은 세계에서 가장 일상적인 분석 업무 중 하나입니다. 도시 실험실, 환경 기관, 유역 협회 모두 하천, 호수, 우물 샘플을 대상으로 매주 동일한 짧은 일련의 검사를 반복합니다. 네 가지 매개변수가 대부분의 정보를 담고 있습니다. 그 pH 물속에 존재할 수 있는 화학종과 금속의 거동을 고정하며; 경도 물의 수원이 통과해 온 암석에서 기원하는, 용존 칼슘과 마그네슘의 총 농도를 보고합니다. 질산염 그리고 인산염 이 두 이온은 조류의 성장을 제한하는 영양소이기 때문에, 농도 측정값은 유역에서 비료, 가축 분뇨 또는 폐수를 얼마나 유입시키고 있는지를 나타냅니다. 각 매개변수는 서로 다른 측정 방법군으로 측정됩니다. pH는 전위차법과 산-염기 지시약으로, 경도는 EDTA를 이용한 킬레이트 적정법으로, 영양소는 인쇄된 색상표와 비교하여 읽어내는 두 가지 발색 반응으로 측정합니다. 이번 실험에서는 강둑에서 하천 수질 시료를 채취한 후, 각각 20 mL씩 나누어 담은 4개의 시료에 대해 네 가지 분석을 모두 수행하게 됩니다. 즉, 범용 지시약과 pH 미터로 pH를 측정하고, Eriochrome Black T를 종말점 지시약으로 사용하여 완충된 시료를 0.010 M EDTA로 적정하며, 질산염을 환원시켜 Griess 아조 다이를 발색시키고, 암모늄 몰리브데이트와 아스코르브산을 이용하여 포스포몰리브데이트 색상을 발색시킵니다. 그런 다음, 네 가지 원시 측정값을 보고서에 서명하는 분석가가 반드시 해야 하는 작업인 하천 건강 상태에 대한 판단으로 변환하게 됩니다.
교육 목표
현장 시료 채취 숙지
- 대표적인 100 mL 표층수 시료를 채취하고, 채취 지점과 채취 시간이 결과의 일부가 되는 이유를 설명하시오.
- 눈금 실린더를 사용하여 동일한 물로 4회의 테스트를 진행할 수 있도록 각각 20 mL씩 4개의 동일한 분량을 측정합니다.
pH 미터 및 색조견본표 사용법
- 지시약을 넣고, 얻은 색상을 인쇄된 pH 색견표와 대조하여 비교한 후, 사용 사이에 전극을 헹구고 말리십시오.
- 컬러 카드를 검은색 배경 대조해서 읽는 이유는 배경의 빛이 투과되거나 반사되어 컬러 칩의 실제 색상에 영향을 주는 것을 방지하기 위해서이며, 하나의 컬러 칩 정도만 정확도로 신뢰할 수 있는 이유는 눈으로 색을 비교할 수 있는 시각적 인지 범위가 한 번에 하나의 칩으로 제한되고 인접한 다른 색상들의 간섭을 받기 때문입니다.
킬레이트 적정법
- pH 10 이상의 시료를 완충하고, 에리오크롬 블랙 T(Eriochrome Black T)를 넣은 후, 지시약의 색이 바뀔 때까지 0.010 M EDTA를 1 mL씩 가합니다.
- 마지막 유리된 Ca가 존재하는 순간을 종점으로 인식하십시오.2+ 착색되었으며, 적정량을 밀리리터 단위로 기록하십시오.
영양염류의 비색 정량
- 질산염을 아질산염으로 환원시키고 그리스 아조 염색약을 발색시킨 후, ppm 단위의 NO 농도를 측정합니다.3− 카드에서.
- 암모늄 몰리브데이트와 함께 포스포몰리브데이트 착물을 발색시킨 후 아스코르브산으로 환원시키고, ppm PO 농도를 측정하십시오.43−.
데이터의 정량적 처리
- 적정을 CaCO 기준 mg/L 단위의 경도로 변환하기3 그리고 칼슘(Ca) mmol/L 단위로 변환2+.
- 이온의 ppm 단위 영양분 측정값을 질소 또는 인의 당량 농도로 변환합니다.
해석 및 실험실 규율
- 각 결과를 공표된 가이드라인 값과 비교하여 그 이유와 함께 물이 허용 가능한지, 경계선상에 있는지, 아니면 문제가 있는지 명시하십시오.
- 측정값을 얻는 대로 모두 기록지에 기록하고, 네 개의 시험관 모두 회수용 트레이에 버리십시오.
프로토콜
준비
강물을 모으기 위해 두 가지 선택 사항이 있습니다:
- 선택 1: 비어 있는 100mL 비커를 사용하여 발밑의 강물을 샘플로 채취하시오
- 옵션 2: 오늘 아침 비커에 모아둔 “강물”을 그대로 사용”
파트 A: pH 측정
- 눈금 실린더를 사용하여 강물 20mL를 측정하십시오.
- 강물 20mL를 시험관 1에 옮기시오.
- 스포이트를 이용하여 시험관 1에 범용 pH 지시약(pH i) 두 방울을 떨어뜨립니다.
- 스포이드의 과도한 양을 회수 트레이에 비우세요.
- pH 측정기 전극을 시험관 1에 담그시오.
- 유리 막대를 사용하여 1번 시험관의 내용물을 섞으세요.
- 색깔을 pH 차트와 비교하세요.
- pH 미터 전극을 증류수로 헹굽니다.
- pH 미터 전극을 종이 타월로 말리십시오.
B부: 물 경도 측정
- 눈금 실린더를 사용하여 강물 20mL를 측정하십시오.
- 강물 20mL를 시험관 2에 옮기십시오.
- 점적기를 사용하여 시험관 2에 완충액 10방울을 넣으십시오.
- 스포이드의 과도한 양을 회수 트레이에 비우세요.
- pH 측정기를 사용하여 용액의 pH를 확인하십시오. 10보다 큰지 확인하십시오.
- 피펫을 사용하여 0.5% 에리오크롬 블랙(EB) 10 mL를 시험관 2에 넣으십시오.
- 유리막대로 섞고 용액의 색을 관찰한다.
- 피펫을 사용하여 0.010 M EDTA 용액 1 mL를 시험관 2에 넣으세요.
- 유리 막대로 용액을 젓습니다.
참고: 색상 변화를 명확히 구분하기 위해 표본을 검은색 카드보드 배경 앞에 놓으십시오.
- 해결책의 색깔이 다시 변할 때까지 8단계와 9단계를 반복하십시오. 추가된 mL 수를 기록하십시오.
- 첨가된 EDTA의 부피는 결과 표에 있습니다.
- 추가된 양에 따라 강물 경도를 결정하십시오.
- 낮은 경도: 5.0 mL 이하의 EDTA 첨가 (CaCO₃ 기준 최대 250 mg/L)
- 중간 경도: 5.0 mL 초과 10.0 mL 이하 (CaCO₃ 기준 250 ~ 500 mg/L)
- 높은 경도: 10.0 mL 초과 15.0 mL 이하 (CaCO₃ 기준 500 ~ 750 mg/L)
- 매우 높은 경도: 15.0 mL 초과 (CaCO₃ 기준 750 mg/L 초과).
참고: 색도 비교표는 근사치이며, 정확한 결과를 위해서는 추가적인 정량 검사가 필요합니다.
- 피펫이 완전히 비어 있는지 (0mL) 확인하십시오.
파트 C: 질산염 농도 측정
- 눈금 실린더를 사용하여 강물 20mL를 측정하십시오.
- 강물 20mL를 시험관 3으로 옮기시오.
- 스포이트를 사용하여 질산염 환원제 용액(NO3 (R)) 10방울을 넣으십시오.
- 스포이드의 과도한 양을 회수 트레이에 비우세요.
- 유리 막대로 섞으시오.
- 스포이트를 사용하여 그리쓰 시약 10방울을 떨어뜨립니다.
- 스포이드의 과도한 양을 회수 트레이에 비우세요.
- 유리 막대로 섞으시오.
- 색도계 눈금(ppm NO3)을 참조하여 강물에 질산염이 얼마나 있는지 확인하세요.
참고: 색상 변화를 명확히 구분하기 위해 표본을 검은색 카드보드 배경 앞에 놓으십시오.
참고: 색도 비교표는 근사치이며, 정확한 결과를 위해서는 추가적인 정량 검사가 필요합니다.
PART D : 인산염 농도 측정
- 눈금 실린더를 사용하여 강물 20mL를 측정하십시오.
- 강물 20mL를 시험관 4번으로 옮기세요.
- 스포이드를 사용하여 몰리브덴산 암모늄 용액(MoO42-) 10방울을 넣으세요.
- 스포이드의 과도한 양을 회수 트레이에 비우세요.
- 유리 막대로 섞으시오.
- 스포이트를 사용하여 아스코르브산 용액(비타민 C) 10방울을 떨어뜨리십시오.
- 스포이드의 과도한 양을 회수 트레이에 비우세요.
- 유리 막대로 섞으시오.
- 수질의 인산염 농도를 측정하기 위해 비색법 눈금(ppm PO4)을 참고하십시오.
참고: 색상 변화를 명확히 구분하기 위해 표본을 검은색 카드보드 배경 앞에 놓으십시오.
참고: 색도 비교표는 근사치이며, 정확한 결과를 위해서는 추가적인 정량 검사가 필요합니다.
- 시험관을 회수 트레이에 비우세요.
예상 결과
동일한 강물에 대해 네 번의 독립적인 측정이 수행되므로, 결과는 단일 숫자가 아니라 작은 데이터 세트가 됩니다. 아래 값들은 이 시뮬레이션의 기준 세션에서 기록된 값들입니다. 색상표를 읽는 수업에서는 양쪽으로 색상 표본(swatch) 하나 정도의 오차 범위 내에서 분산될 것입니다.
| 매개변수 | 시험관 | 하천수 20 mL에 첨가된 시약 | 관찰되는 것 | 기록된 값 |
|---|---|---|---|---|
| pH | 1 | 만능 지시약 2방울; pH 미터 전극 담금 | pH 차트의 중성 부분과 대조해 볼 때 녹색을 띱니다. | pH 5.9 |
| 총경도 | 2 | pH 10 완충액 10 방울, 0.5 % 에리오크롬 블랙 T 10 mL, 그 다음 0.010 M EDTA를 1 mL씩 첨가 | 지시약을 넣었을 때 적색(와인색), 당량점에서 색상 변화 | EDTA 6 mL → CaCO3 당량으로 300 mg/L3 |
| 질산염 | 3 | 질산염 환원제 10방울, 이어서 그리스 시약 10방울 | ppm NO에 대한 연한 색조3− 카드 | 60 ppm NO3− |
| 인산염 | 4 | 암모늄 몰리브데이트 10방울, 이어서 아스코르브산 10방울 | ppm PO에 대한 연한 황녹색 색조43− 카드 | 40 ppm PO43− |
세 개의 참고 차트 튜브 1, 3, 4번을 읽곤 했다:
네 숫자가 의미하는 것
| 매개변수 | 결과 | 참조값 | 독서 |
|---|---|---|---|
| pH | 5.9 | 수생 생물 보호를 위한 6.5 – 9.0 | 범위 아래: 약산성 물 및 Al과 같은 금속3+ 용해도가 높아지다 |
| 총경도 | 탄산칼슘(CaCO3) 기준 300 mg/L3 (3.0 mmol/L) | 180 매우 경수 | 일반적인 분류 기준으로는 매우 단단함; 건강상 문제는 없으나, 물때와 비누 소비량이 많아짐 |
| 질산염 | 60 ppm NO3− = 13.6 mg/L (N 기준) | 50 mg/L NO3− 음용수 중 (N으로서 11.3 mg/L) | 음용수 기준치 초과; 농업 또는 폐수 유입을 나타냄 |
| 인산염 | 40 ppm PO43− = P로서 13.0 mg/L | 하천은 총인이 약 0.03 mg/L를 초과하면 이미 부영양화 위험에 노출된다. | 수백 배 부영양화 유발 물질… 녹조 발생 우려 |
pH. pH는 하이드로늄 이온 농도의 음의 로그입니다. pH = −log[H3O+], 따라서 pH 5.9은 [H3O+] = 10-5.9 = 1.3 × 10-6 mol/L, 1.0 × 10의 약 8배−7 25 °C에서 중성 물의 mol/L. 유니버설 지시약은 연속적인 색상 변화가 전체 pH 범위를 채우는 약산-염기 염료들의 혼합물이며, 이것이 하나의 급격한 변화 대신 연속적인 무지개를 나타내는 이유입니다. 각 염료는 pH가 자신의 pK 값에서 대략 1단위 이내에 있을 때 고유한 색상을 나타냅니다.a. 혼합물이기 때문에 pH 단위의 절반 정도까지만 유효하며, 바로 이 때문에 프로토콜에서 pH 미터 전극을 담그도록 하는 것입니다. 미터는 유리막의 전위, 즉 E = E를 측정합니다.0 25 °C에서 − 0.059 · pH 볼트이며, 0.01 단위를 분해합니다.
EDTA 적정법에 의한 경도. EDTA(음이온 Y4− 에틸렌디아민테트라아세트산의) 6개의 주개 원자가 2가 금속 이온을 둘러싸고 1:1 킬레이트를 형성하므로, 적정의 양론비는 칼슘 1몰당 EDTA 1몰입니다.2+ 또는 Mg2+Ca2+ + Y4− → CaY2−. 따라서 적정량은 직접 몰수로 환산됩니다. 0.010 M EDTA 6.0 mL를 사용하면, n(EDTA) = C · V = 0.010 mol/L × 6.0 × 10마이너스 3 L = 6.0 × 10-5 몰, 그리고 시료가 20.0 mL이었으므로 경도 이온의 총 농도는 6.0 × 10-5 mol ÷ 0.0200 L = 3.0 × 10마이너스 3 mol/L. 경도는 통상적으로 모든 경도가 탄산칼슘인 것처럼 환산하여 나타낸다: 3.0 × 10마이너스 3 mol/L × 100.09 g/mol = 0.300 g/L, 즉 탄산칼슘(CaCO3) 기준 300 mg/L3. 마그네슘으로 환산한 동일한 3.0 mmol/L는 3.0 × 10이 됩니다.마이너스 3 mol/L × 24.31 g/mol = 73 mg/L Mg2+ — 적정이 칼슘과 마그네슘을 구분하지 못하기 때문에, 두 번째 결과가 아니라 서로 다른 옷을 입은 동일한 측정값일 뿐입니다.
버퍼와 지표가 왜 그렇게 작동하는지. 에리오크롬 블랙 T는 그 자체로 약산이며, pH 10의 유리 상태에서는 파란색을 띠고, Ca와 형성하는 착물은2+ 그리고 Mg2+ 와인은 붉은색인가요? EDTA가 염료보다 금속과 훨씬 더 강하게 결합하므로, 유리 금속 이온이 남아 있는 동안에는 적정제가 용액에서 이들을 제거하여 아무런 변화가 없습니다. 당량점에서는 다음 방울의 EDTA가 염료 자체에서 금속을 떼어내고 용액은 유리 지시약의 색으로 되돌아갑니다. pH 10 완충 용액은 선택 사항이 아닙니다. EDTA는 다가 양성자산이며 완전히 탈양성자화된 Y만이4− 킬레이트를 강하게 형성하므로 유효 안정도 상수는 조건부 상수인 K′ = α이다.Y · KCaY, 여기서 αY EDTA가 Y 형태로 존재하는 분율은4−. pH 10에서 αY ≈ 0.35 및 KCaY = 5.0 × 1010, K′ ≈ 1.8 × 10을(를) 부여함10 그리고 날카로운 종점; 2 pH 단위 낮음, αY 자릿수가 4배 감소하고 종말점이 흐려집니다. pH 11 부근을 넘어가면 반대 문제가 나타나며 Mg(OH)2 침전되기 시작하므로 프로토콜에서 pH가 10보다 큰지 확인하도록 요청하면서도 그 이상은 요구하지 않는 것입니다.
그리스 반응에 의한 질산염. 질산염 자체는 무색이며 발색 시약에 대해 반응성이 없기 때문에, 먼저 환원제(아연 또는 카드뮴 기반 시약)에 의해 아질산염으로 환원됩니다: NO3− + 2 H+ + 2 e− → 아니요2− + H2오. 그리에스 시약은 순서대로 두 가지 작용을 합니다. 아질산염이 방향족 아민(설파닐아마이드)을 디아조화하여 디아조늄 이온을 생성하고, 이 이온이 두 번째 방향족 물질(N-1-나프틸에틸렌다이아민)과 결합하여 540 nm 근처에 최대 흡수 파장을 갖는 강렬한 색상의 아조 색소를 생성합니다. 색상의 진한 정도는 색소의 양, 즉 베르-람베르트 법칙(A = ε · ℓ · c)을 통해 질산염의 양에 비례합니다. 인쇄된 카드는 그래프 대신 색상 견본으로 표현된 그러한 검량선일 뿐입니다. 60 ppm NO 판독값3− 의 의미는 60 mg/L ÷ 62.00 g/mol = 9.7 × 10 입니다.−4 mol/L 또는 질소로 환산하여 60 × (14.01/62.00) = 13.6 mg/L이며, 이는 대부분의 음용수 규정에서 사용하는 단위입니다.
몰리브덴 블루법에 의한 인산. 산성 용액에서 오르토인산은 몰리브덴산염과 축합하여 단 하나의 커다란 헤테로폴리산을 형성합니다: PO43− + 12개월42− + 27 H+ → H3[P(Mo3O10)4] + 12 시간2그 착물은 희미한 노란색을 띨 뿐이며, 이어서 아스코르브산이 그 Mo(VI)의 일부를 Mo(V)로 환원시키고, 생성된 혼합 원자가 이온은 강한 전하 이동 흡수, 즉 이 방법에 이름과 감도를 부여하는 “몰리브덴 블루”를 나타냅니다. 인 원자당 12개의 몰리브덴 원자가 동원되기 때문에, 이 방법은 아주 적은 양의 인산을 진한 색으로 증폭시키며, 이것이 이 방법이 천연수 내 인 측정의 표준 방법으로 남아 있는 이유입니다. 40 ppm PO 읽는 중43− 40 mg/L ÷ 94.97 g/mol = 4.2 × 10에 해당함−4 mol/L 또는 인(phosphorus)으로 환산하여 40 × (30.97/94.97) = 13.0 mg/L.
이 강이 왜 그렇게 흐르는지. 세 가지 신호는 서로 일치하며 하나의 이야기를 전달합니다. 3.0 mmol/L의 총경도는 물이 탄산염 암석과 장기간 접촉하여 평형 상태의 CaCO3 + CO2 + H2O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−. 수십 mg/L에 달하는 질산염과 인산염은 지질학적인 것이 아니다. 둘 다 비료 유출수나 처리 또는 미처리 폐수의 흔적이며, 함께 살포되기 때문에 함께 유입된다. 패턴에 맞지 않는 유일한 측정값은 pH인데, 이 정도로 경도가 높은 강은 일반적으로 자체 중탄산염에 의해 pH 7.5~8.3으로 완충되기 때문이다. 3.0 mmol/L의 경도가 존재하는 상황에서의 5.9라는 pH는 중탄산염이 완전히 중화하지 못한 추가적인 산 유입을 암시하며, 이는 학생이 대충 넘어가기보다 눈여겨보고 설명해야 할 종류의 내적 모순이다.
학년별 과제 요약
9~10학년
집중 관찰, 어휘, 그리고 색상이 측정이 될 수 있다는 개념. 학생들은 네 가지 실험을 수행하고, 각 색상 변화를 자신만의 언어로 설명하며, 각 결과를 인쇄된 카드 위에 놓습니다. 활동 pH는 수용액의 산성도나 알칼리성 정도를 측정하는 지표입니다. 경도는 물에 녹아 있는 칼슘과 마그네슘 이온의 양을 나타냅니다. 질산염은 물속에 존재하는 질소 화합물로, 주로 비료나 유기물에서 유래합니다. 인산염은 수계 내 인의 존재를 나타내는 지표로, 부영양화를 유발할 수 있습니다. 시험관 1에는 pH 시약을, 시험관 2에는 경도 시약을, 시험관 3에는 질산염 시약을, 시험관 4에는 인산염 시약을 각각 첨가했습니다. | 항목 | 측정값 | |---|---| | pH | [값] | | 경도 | [값] | | 질산염 | [값] | | 인산염 | [값] | pH는 [낮음/정상/높음] 수준이며, 유역 내에서 이를 유발할 수 있는 요인으로는 [원인]이 있습니다. 경도는 [낮음/정상/높음] 수준이며, 유역 내에서 이를 유발할 수 있는 요인으로는 [원인]이 있습니다. 질산염은 [낮음/정상/높음] 수준이며, 유역 내에서 이를 유발할 수 있는 요인으로는 [원인]이 있습니다. 인산염은 [낮음/정상/높음] 수준이며, 유역 내에서 이를 유발할 수 있는 요인으로는 [원인]이 있습니다.
11학년
집중 정량적 처리. 학생들은 적정량을 농도로 변환하고, 그 농도를 규정에 사용되는 단위로 변환합니다. 활동 n(EDTA) = C · V 식을 이용하여 계산하고, 이에 따라 CaCO₃ 기준의 경도를 mmol/L 및 mg/L 단위로 구하시오.3; 60 ppm NO 변환3− mol/L 및 N으로서 mg/L로, 그리고 40 ppm PO43− mg/L P로 환산; 위의 표에 있는 기준값과 각 수치를 비교; 완충액이 pH를 10 이상으로 유지해야 하는 이유를 설명; 4가지 매개변수를 모두 인용하여 짧은 수질 판정을 작성하십시오.
12학년 / 대학교 수준
집중 유도, 오차 분석 및 독자적인 해석. 활동 조건부 생성 상수 K′ = α 유도하기Y · KCaY 그리고 pH 8에서 종말점이 저하되는 이유를 정량적으로 밝히고, 람베르트-베어 법칙을 사용하여 몰리브덴 블루법이 천연수에 대해 눈(육안)으로 관찰하는 것보다 충분히 민감한 이유를 설명하며, 탄산염 완충 시스템의 관점에서 3.0 mmol/L의 경도와 5.9의 pH 사이에 존재하는 내부적 긴장을 설명하고, 영양염 부하가 특정원에서 비롯된다는 것을 규명하는 데 필요한 시료 채취 캠페인을 설계하고, 이에 요구되는 대조군과 반복 시료를 명시하시오.
실험실 필수품
악기
- 비커 (100 mL)
- 눈금실린더 (25 mL)
- 드롭퍼
- 피펫 (10 mL)
- 유리봉
- pH 미터
- 시험관 (50 mL) × 4
- 시험관대
- 세척병
- 키친타월
- 회수용 트레이
- 검은색 판지 배경
제품
- 강물
- 증류수
- 만능 pH 지시약
- 완충 용액 (pH 10)
- 에리오크롬 블랙 T 0.5 % (용액)
- EDTA 0.010 M (용액)
- 질산염 환원제 (NO3 R
- 그리스 시약
- 몰리브덴산 암모늄 용액 (MoO42−)
- 아스코르브산 용액 (비타민 C)