적정(titration)은 눈으로 보고 알 수 없는 질문, 즉 녹아 있는 물질이 얼마나 존재하는가에 대한 답을 구하는 표준적인 방법이다. 농도를 알고 있는 용액을 미지의 용액이 담긴 측정된 부피에 작고 조절된 양으로, 완전히 반응하여 소모될 때까지 첨가한다. 필요한 부피는 뷰렛에서 읽어내며, 화학 반응식에 의해 두 물질의 반응 비율이 고정되어 있으므로 그 부피를 통해 미지의 농도를 직접 알 수 있다. 정수장, 유가공 공장, 와이너리, 수영장 관리자, 임상 실험실 등에서는 매일 적정을 수행하며, 이 기법은 더 빠른 기기 분석법을 교정하는 기준 방법으로 남아 있다.
기저의 화학 반응은 중화입니다. 염산과 수산화钠은 1몰 대 1몰로 반응합니다. HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2따라서 산이 정확히 소모된 순간, 첨가된 염기의 양은 존재하던 산의 양과 같아집니다. 그 순간이 당량점이며, 염화나트륨은 강산과 강염기의 염이기 때문에 그 이온 중 어느 것도 물과 반응하지 않으며 당량점에서의 용액은 정확히 중성인 pH 7.00이 됩니다. 문제는 그것을 육안으로 확인하는 것입니다. 당량점을 지날 때 용액의 색이 변하도록 지시약(여기서는 pH 6.0 미만에서는 노란색이고 pH 7.6 초과에서는 파란색인 브로모thymol 블루)이 첨가됩니다.
이 실험에서 여러분은 50 mL 뷰렛을 스탠드에 집기로 고정하고, 메니스커스가 0에 맞춰지고 콕에 기포가 없도록 2.0 mol/L 수산화나트륨을 채운 다음, 농도를 모르는 염산 10 mL를 피펫으로 삼각플라스크에 넣고 브로모티몰 블루 세 방울을 떨어뜨릴 것입니다. 그런 다음 노란색 용액이 색이 변할 때까지, 염기를 한 방울씩 떨어뜨리면서 매번 섞어주며 적하할 것입니다. 방울 수를 세면 투입된 염기의 부피를 알 수 있으며, 그 부피로부터 두 줄의 산술 연산을 통해 산의 농도가 도출됩니다. 이것은 모음집에서 최초의 진정한 적정 실험입니다. 실험 047은 제목에도 불구하고 뷰렛도 없고 당량점도 없는 색민감법적 pH 측정입니다.
교육 목표
부피 분석의 원리
- 적정은 미지의 용액의 농도를 측정하며, 용액의 농도와 반응하는 부피를 알면 화학량론적 관계를 통해 물질의 양을 계산할 수 있으므로 부피가 물질의 양을 대신할 수 있습니다.
- 화학 반응에 의해 고정되는 당량점을 지시약이 보여주는 종말점과 구별하라.
중화 반응의 화학량론
- HCl + NaOH → NaCl + H₂O2오 그리고 그것이 부과하는 1:1 몰비를 인식하세요.
- C 적용aVa = CbVb 미지의 농도를 얻기 위해, 그리고 왜 그 관계가 1:1 반응에서만 성립하는지 설명하라.
- 중립성이란 H의 양이 같다는 것을 의미한다는 점을 이해해 주세요.3O+ 그리고 오−, 두 용액의 부피는 같지 않다.
지표 선택 및 읽기
- 강염기로 적정된 강산의 당량점 pH인 7.00이 변색 범위 pH 6.0에서 7.6 사이에 걸쳐 있기 때문에, 브로모티몰 블루가 적당하다.
- 첫 번째 지속되는 초록색을 종점으로 인식하고, 자리 잡은 파란색이나 청록색은 종점을 지났다는 증거로 인식하십시오.
부피 측정 유리 기구 사용법
- 뷰렛을 설치하십시오: 수직으로 고정하고, 콕에서 기포를 제거한 후, 아래쪽으로 향하는 뷰렛 눈금을 읽어 메니스커스를 0에 맞추십시오.
- 부피 피펫으로 정해진 분취량을 주입하고 첨가할 때마다 플라스크를 섞어주세요.
- 한 방울씩 끝점에 다가가고, 마지막 한 방울이 왜 중요한지 알아라.
데이터 처리와 정밀도
- 방울 수를 부피로 환산한 다음, 각 단계에서 단위를 추적하면서 물질의 양으로 환산합니다.
- 측정값이 실제로 뒷받침할 수 있는 유효숫자 자릿수로 결과를 나타내십시오.
- 반복 실험의 결과를 평균내는 이유는 측정 오차를 줄이고 데이터의 신뢰성과 정확성을 높이기 위함입니다. 개별 실험은 우연한 요인이나 측정 오차(노이즈)로 인해 변동이 생길 수 있으므로, 여러 번 반복하여 평균을 구하면 이러한 무작위 오차가 상쇄되어 참값에 더 가까운 결과를 얻을 수 있습니다.
농축 부식성 물질 취급 시 안전 수칙
- 중화하는 산보다 눈에 더 손상을 주는 2 mol/L 수산화나트륨을 올바른 보호 장비를 착용하여 취급하십시오.
- 중화된 폐기물은 회수 트레이에 버리고 실험용 유리는 증류수로 헹구세요.
프로토콜
염산(HCl) 용액의 농도를 결정하고자 합니다.
설정
- 스탠드에 범용 클램프를 부착하십시오.
- 50mL 용량 뷰렛을 클램프에 부착하십시오.
- 피펫을 사용하여 농도를 알 수 없는 염산 용액 10mL를 잽니다.
- 염산이 담긴 피펫을 삼각 플라스크에 비우시오.
- 스포이트를 사용하여 삼각 플라스크에 브로모티몰 블루 세 방울을 떨어뜨리세요.
- 유리 막대로 용액을 섞으십시오. 색깔을 관찰하고 색도표를 사용하여 pH를 추정하십시오.
- 유리봉을 증류수로 헹그시오.
- 부레트에 중화용액인 2M NaOH를 반 정도 채웁니다.
- 뷰렛 스톱콕 아래에 50mL 비커를 놓으십시오.
- 주의: 스톱콕 안에 기포가 없어야 합니다. 기포를 제거하려면 스톱콕의 작은 빨간 밸브를 살짝 눌러, 뷰렛에서 50 mL 비커로 2M NaOH를 조금씩 흘려보내십시오.
- 50mL 비커를 회수 트레이에 비우고 뷰렛 아래에 다시 놓으십시오.
- 뷰렛의 메니스커스가 0이 될 때까지 중화 용액 NaOH 2M으로 뷰렛을 채우는 것을 완료합니다. 주의, 뷰렛은 눈금 실린더와 반대 방향으로 눈금이 표시되어 있습니다.
- 부피 피펫 아래에 놓인 50mL 비커를 염산이 들어 있는 100mL 눈금 플라스크로 교체하십시오.
용액의 적정
- 뷰렛 꼭지의 작은 빨간색 밸브를 건드려 중화 용액(NaOH 2M) 1방울(약 0.05mL)을 떨어뜨린다(밸브가 잠시 열렸다가 방울이 떨어진 후 자동으로 닫힌다).
- 각 방울을 떨어뜨린 후에는 유리 막대로 용액을 섞으세요.
- 용액의 색이 노란색에서 처음으로 지속되는 초록색으로 변할 때까지 1단계와 2단계를 반복합니다. 이 색이 브로모티몰 블루에서 중성 pH(7)에 해당합니다. 뚜렷한 파란색이나 청록색은 종말점을 지나쳤음을 뜻합니다.
- 용액이 중성 pH에 도달하면 유리 막대를 증류수로 헹굽니다.
- 중화 용액(NaOH 2M) 첨가량은 결과 표에 기록됩니다.
- 결과를 평균하기 위해 실험을 2회 반복하는 것이 좋습니다.
- 2M NaOH로 HCl과 같은 양을 중화하는 데 필요한 양을 계산하십시오. 용액 1L에 대해 계산된 양이 HCl 용액의 몰 농도가 됩니다.
참고: 1방울 = 0.05 mL, NaOH 2몰/1000 mL = NaOH 0.0001몰 / 0.05 mL, 그리고 NaOH 1몰은 HCl 1몰을 중화합니다. 10 mL의 염산을 중화하는 데 사용되는 NaOH의 몰 수는 용액 10 mL에 있는 HCl의 몰 수를 나타냅니다. HCl 용액의 몰 농도를 추정하려면 100을 곱해야 합니다(따라서 10 mL * 100 = 1000 mL).
예상 결과
반응과 종말점이 의미하는 것. 적정 반응은 HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), 또는 이온 용어로 간단히 H3O+ + 오− → 2 H2오, 나트륨과 염화물은 전 과정에서 구경꾼 이온이기 때문에 그렇습니다. 비율이 1대1이므로 당량점에서 $n(\text{첨가된 NaOH}) = n(\text{존재하는 HCl})$입니다. 염화나트륨은 가수분해되지 않습니다 — 염화물은 강산의 짝염기이고 나트륨은 산성이 아니기 때문입니다 — 따라서 당량점에서의 용액은 정확히 중성이고 당량점 pH는 7.00입니다. 그것은 흔치 않고 편리한 경우입니다: 약산의 경우 pH가 7보다 높을 것이고, 그렇다면 브로모티몰 블루는 잘못된 지시약이 될 것입니다.
측정. 이 실험에서 방울은 부피의 단위입니다. 한 방울은 0.05 mL이므로, 2.0 mol/L 수산화나트륨 한 방울은 다음을 전달합니다.
n = C × V = 2.0 mol/L × 0.05 × 10마이너스 3 L = 1.0 × 10−4 방울당 NaOH의 몰수
종말점은 15방울 후에 도달합니다. 그것은 15 × 0.05 = 0.75 mL이며, 15 × 1.0 × 10을 운반합니다.−4 = 1.5 × 10마이너스 3 1:1 비율에 따라 1.5 × 10을 중화시켰음에 틀림없는 염기의 몰 수마이너스 3 산의 몰수. 이 산의 부피는 10.00 mL이므로
C(HCl) = n / V = 1.5 × 10마이너스 3 몰 / 0.0100 L = 0.15 mol/L
동일한 답이 C에 이어 한 줄로 나옵니다.aVa = CbVb: Ca = (2.0 mol/L × 0.75 mL) / 10.0 mL = 0.15 mol/L. 프로토콜의 경로, 즉 10 mL에서 찾은 양에 100을 곱하여 1리터에 도달하는 것은 다르게 쓰인 동일한 산술입니다.
| 수량 | 가치 | 그것이 어디서 유래하는지 |
|---|---|---|
| 사용한 산의 부피 | 10.00 mL | 부피 피펫 |
| 적정제 | 수산화나트륨 2.0 mol/L | 실험대 시약 |
| 한 방울의 부피 | 0.05 mL | 프로토콜에 명시된 대로 |
| 한 방울당 염기 함량 | 1.0 × 10−4 mol | 2.0 × 0.05 / 1000 |
| 엔드포인트로 이동 | 15 | 관찰된 |
| 인도된 베이스 물량 | 0.75 mL | 15 × 0.05 |
| 납품된 원료의 양 | 1.5 × 10마이너스 3 mol | 15 × 1.0 × 10−4 |
| 중화된 산의 양 | 1.5 × 10마이너스 3 mol | 1:1 몰 비율 |
| 산의 농도 | 0.15 mol/L | 1.5 × 10마이너스 3 / 0.0100 |
| 그 산의 pH | 0.82 | -\log(0.15) |
| 2.0 mol/L 적정액의 pH | ≈ 14.3 | 14 + log(2.0) |
플라스크가 하는 일, 한 방울씩. 용액의 색상은 pH에 의해 결정되며, pH는 두 시약 중 어느 것이 과량으로 존재하는지에 의해 결정됩니다. 종말점 전에는 산이 남고, 종말점 후에는 염기가 남습니다. 강산과 강염기는 용액을 완충할 수 있는 요소를 남기지 않기 때문에 그 변화가 급격합니다. 아래 표는 각 단계에서 총 부피로 나눈 과량의 양을 사용하여 전체적인 접근 방식을 보여줍니다.
| 방울 | NaOH 첨가량 (몰) | 초과 | 총 부피 (mL) | 농도 (mol/L) | pH | 색상 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1.5 × 10마이너스 3 H3O+ | 10.00 | 0.150 | 0.82 | 노란색 |
| 10 | 1.0 × 10마이너스 3 | 5.0 × 10−4 H3O+ | 10.50 | 0.0476 | 1.32 | 노란색 |
| 14 | 1.4 × 10마이너스 3 | 1.0 × 10−4 H3O+ | 10.70 | 9.35 × 10마이너스 3 | 2.03 | 노란색 |
| 15 | 1.5 × 10마이너스 3 | 없음 | 10.75 | 1.0 × 10−7 | 7.00 | 청록색 |
뷰렛의 눈금 읽기. 뷰렛의 눈금은 위쪽을 0으로 하여 아래쪽으로 표시되어 있는데, 이는 측정 대상인 양이 뷰렛에 남아 있는 양이 아니라 뷰렛을 떠난 양이기 때문이다. 따라서 적정도는 최종 눈금에서 초기 눈금을 뺀 값이며, 시작 전에 메니스커스를 0으로 맞추는 것은 필수 사항이라기보다는 편의상 하는 것이다. 스톱콕 내의 기포도 같은 이유로 중요합니다. 적정 도중 배출된 기포는 플라스크에 도달하지 않았음에도 공급된 부피로 계산되어, 적정값을 높게 왜곡하고 이에 따라 계산된 농도도 과대평가하게 됩니다.
왜 다른 지시약이 아니라 브로모티몰 블루일까요?. 지시약은 그 자체로 두 형태의 색상이 다른 약산이며, pK를 중심으로 대략 2개의 pH 단위에 걸쳐 변화한다.인. 브로모티몰 블루는 pK인 ≈ 7.1로, 바로 이 때문에 해당 범위가 중립을 포괄합니다. 실험실 049는 그 2단위 폭 뒤에 숨은 산술을 다루어 보여줍니다. 이 특정 적정의 경우 지시약의 선택은 결정적이라기보다는 여유가 있습니다. 일반적으로 설계된 강산-강염기 적정에서는 한 방울의 아주 작은 부분만 들어가도 pH가 약 4에서 약 10으로 급변하기 때문에, 메틸 레드나 페놀프탈레인을 쓰든 적정 소비량은 같을 것입니다. 그러나 산이 약산이 되는 순간 지시약의 선택은 결정적이 됩니다. 실험실 048의 주제인 에타산(아세트산)을 적정하면 당량점에서 용액에 에타산염이 남게 되며, 그때의 pH는 약 8.7이 되므로 브로모티몰 블루는 종말점을 너무 일찍 알리게 되고 페놀프탈레인이 올바른 선택이 됩니다.
이것이 다른 pH 실험실들 사이에서 어디에 위치하는지. 실험실 046은 pH가 무엇이고 어떻게 측정되는지 다룹니다. 048은 동일한 농도의 에타산과 염산을 비교하여 농도를 세기와 구분합니다. 049는 지시약 평형과 변색 영역의 폭을 다룹니다. 050은 강산의 경우 pH가 단순히 희석 배수의 로그값임을 보여줍니다. 이 실험은 이러한 개념들이 분석법으로 발전하는 곳으로, 최초로 pH가 결과값이 아니라 신호가 되며, 결과값은 뷰렛에서 읽어낸 농도가 됩니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
집중하세요. 관찰, 어휘 그리고 세심한 절차. 계산은 제공되고 학생은 숫자를 채워 넣는다.
- 장치를 올바르게 설치하십시오: 뷰렛은 수직으로 고정하고, 콕크에 기포가 없어야 하며, 메니스크스가 영점에 오게 하십시오.
- 색이 변할 때까지의 방울 수를 세고, 1방울 = 0.05 mL를 사용하여 그 방울 수를 부피로 환산하십시오.
- 색상 순서를 설명하고 지표의 이름을 밝히며, 노란색, 초록색, 파란색이 각각 무엇을 의미하는지 말하세요.
- 0.15 mol/L에 도달하도록 제공된 계산을 완료하십시오.
- 적정, 적정제, 뷰렛, 분취량, 지시약, 당량점, 중화.
11학년
집중하세요. 도움 없이 수행한 전체 계산과 당량점의 의미.
- 제공된 투여 경로 없이 첫 원리(기본 원리)로부터 농도를 유도하시오: 방울당 양, 전달된 양, 산의 양, 농도.
- C를 사용하여 두 번째 방법으로 같은 정답을 구하세요aVa = CbVb, 그리고 그 지름길이 1:1 반응에만 유효한 이유를 설명하세요.
- 적정 전 산의 pH를 계산하여 0.82임을 확인하고, 적정제의 pH를 확인하여 14.3이다.
- 이 한 쌍의 시약에 대해 당량점 pH가 정확히 7.00인 이유를 설명하고, 이를 바탕으로 브로모티몰 블루의 사용을 정당화하시오.
- 14방울과 16방울을 떨어뜨린 후의 pH를 계산하고, 왜 변색이 그토록 급격한지 설명하시오.
- 답변을 한 방울이 나타내는 정밀도로 반올림하세요.
12학년 / 대학교 수준
집중하세요. 방법 설계, 오차 분석 및 기법의 한계. 학생들은 절차를 직접 실행하기보다는 비판적으로 검토할 것이 요구된다.
- 적정제 적가 부피에 따른 pH 변화를 나타내는 전체 적정 곡선을 그리고 변곡점을 확인하며, 그 기울기를 지시약 변색 범위의 폭과 비교하시오.
- 2.0 mol/L 적정제가 결과의 유효숫자를 두 개로 제한한다는 것을 정량적으로 증명하고, 0.10 mol/L 적정제가 가져다줄 개선 효과를 계산하시오.
- 20~40 mL 사이의 종점에 도달하도록 적정을 재설계하고, 이를 달성할 적정제 농도와 분취량(시료 용량)을 명시하십시오.
- 분석물질이 염산 대신 에타산(아세트산)일 경우 적정 곡선과 당량점의 pH가 어떻게 변할지 예측하고, 그에 적절한 지시약을 선택하시오.
- 당량점과 종말점의 차이를 무작위 오차가 아닌 계통 오차의 원인으로 논하고, 여기에서의 그 크기를 추정하시오.
- 해당 분석법을 처리된 물의 알칼리도, 와인과 우유의 적정 산도, 위산 분석과 같은 산업적 및 임상적 용도와 관련짓고, 적정이 더 빠른 기기 분석법을 교정하는 기준 분석법이 되는 이유를 설명하시오.
실험실 필수품
악기
- 콕이 있는 뷰렛 (50 mL)
- 다목적 클램프 및 스탠드
- 부피 피펫 (10 mL)
- 삼각플라스크 (100 mL)
- 마개(스톱콕)를 세척하는 데 사용하는 비커(50 mL)
- 드롭퍼
- 유리봉
- pH 색상표 (실험대 차트)
- 회수용 트레이
제품
- 염산 HCl, 농도 미지 (10 mL 분취량; 0.15 mol/L로 확인됨)
- 수산화나트륨 NaOH 2.0 mol/L (적정제)
- 브로모티몰 블루 지시약 (3방울)
- 증류수 (헹굼)