산 표준용액의 조제 및 표정

실습목표

진한 염산을 묽게 하여 0.1N-염산 표준액을 조제할 수 있다.

표준물질로 탄산수소칼륨을 사용하여 염산 표준액을 정확히 표정할 수 있다.

실습 재료

염산(HCl), 탄산수소칼륨(KHCO3), 메틸오렌지

기기/기구

비이커(500mL), 메스피펫(10mL), 메스플라스크(500mL, lL), 홀피펫(25mL), 삼각플라스크, 뷰렛(50mL), 피펫 필러, 건조기, 데시케이터, 전자저울세척병, 라벨, 천칭, 약포지, 약수푼, 파라핀 랩, 티슈

관계 이론

산과 중화반응

스웨덴의 과학자 아레니우스는 산이란 수용액에서 이온화하여 수소이온(H+)을 내놓는 물질이라고 정의하였다. 물질에 따라 수용액 중에 이온화하여 내놓는 H+의 농도가 클수록 강산이다. 강산에는 H2SO4, HCl. HNO3가 있으며 약산에는 H2SO3, H3PO4, CH3COOH, H2CO3등이 있다

아래와 같이 산과 염기가 반응하여 물과 염을 생성하는 반응을 중화반응이라 한다.

HCl  +  NaOH  →  NaCl  +  H2O

(산)      (염기)      (염)      (물)

염산의 반응

염산(hydrochloric acid, HCl, Mw=36.47)은 염화수소의 수용액으로 무색, 자극성 냄새를 가진 일염기 강산이다. 시판용 진한 염산의 비중은 1.18이고 순도는 37.2 % 정도이다.

탄산수소칼륨(potassium hydrogen carbonate, KHCO3, Mw=100.12)은 무색의 결정으로 중탄산칼륨이라고도 한다. 탄산나트륨(Na2CO3), 붕사(Na2B4O7)등과 같이 산 표준액의 1차 표준물질로 사용된다.

탄산수소칼륨과 염산의 반응식은 다음과 같이 정량적으로 이루어진다.

KHCO3 + HCl → KCl + CO2 +H2O

(염기)    (산)  : 중화반응

이 반응식으로부터 KHCO3 1 mole ≡ HCl 1 mole ≡ 1 g-당량

∴ KHCO3 1 mole은 1 g-당량이다.

위의 중화적정 반응식에서 알 수 있듯이 종말점에 이르면 이산화탄소가 발생하여 종말점의 명확한 판정에 방해가 될 수 있으므로 가열하고 흔들어서 이산화탄소를 제거한 다음, 지시약을 넣고 적정을 계속한다.

0.1 N - HCl 1 mL에 상당하는 탄산수소칼륨의 양을 구하자.

1 N- HCl 1 L ≡ 1 g-당량 HCl ≡ 1 g-당량 KHCO3 ≡ 1 mole KHCO3 ≡ 100.12 g-KHCO3

0.1 N- HCl 1 mL ≡

[eqn: {{100.12 }(g-KHCO_3 /L)} over {1(N-KHCO_3 )}}×{{0.1(N-KHCO_3 )} over {1,000(mL/L)}}×1(mL) ~=~0.010(g-KHCO_3 )]

따라서, 0.1N - HCl 1 mL는 0.010 g KHCO3 에 상당한다.

주의사항

진한 염산은 극약이므로 피펫 필러를 사용하여 안전하게 취한다.

진한 염산을 용해시킬 때 용기에 물을 먼저 취하고 염산은 나중에 넣어야 하며, 열이 발생하므로 주의한다.

지시약을 과량 사용하면 종말점 판정이 어려우므로 적당량 사용한다..

실습순서

시약 조제

0.1 N-HCl 표준액

먼저, 시약용 염산의 노르말(N)농도를 구하자.

시약용 염산은 일반적으로 순도 37.2 (w/w %), 비중 1.18, 분자량 36.47 이다.

[eqn: 1,180( {g-HCl~용액 over L-HCl~용액})×{37.2 over 100} ( {g-HCl over g-HCl~용액 )} ×{1~(N) over {36.47~(g-HCl/L)}}=12.0(N)]

0.1 (N) × 1,000 (mL) = 12 (N) × x (mL)   ∴ x = 8.3 (mL)  따라서, 약간의 물에 시판용 염산 8.3 mL를 취해 물을 넣어 전체가 1 L가 되게 한다.

0.1% 메틸오렌지 지시약

methyl orange(C14H14N3NaO3S) 0.1g을 뜨거운 물에 녹여 100 mL가 되게 한다.

0.1 N-HCl 표준액의 표정

탄산수소칼륨(KHCO3)을 120～140℃에서 약 2시간 건조한 다음 데시케이터(실리카겔)에서 식혀, 약 5 g을 정확히 단다.…W (g)

이를 물에 녹여 500 mL 메스플라스크에 옮겨 넣고 물을 넣어 표선까지 채운다.

이 용액 25 mL를 홀피펫으로 취하여 삼각 플라스크에 넣고 0.1 W/V %-메틸오렌지 지시약 2～3방울을 가한다.

표정하려는 0.1 N-HCl 표준액을 뷰렛에 넣고 눈금을 맞춘다.

HCl 표준액으로 적정하여 탄산수소칼륨 표준액이 노란색에서 빨간색이 되려고 할 때 적정을 중지하고 약 2분간 끓여 탄산가스(CO2)를 제거하고 식힌다.

계속 적정하여 용액의 색이 빨간색으로 변하는 것을 종말점으로 한다.

[ 메틸오렌지 지시약의 변색 범위

작다      pH      크다

빨간색(red) ←   3.1 ～ 4.4   → 노란색(yellow)

같은 방법으로 3회 반복 적정하여 적정에 소비된 0.1 N-HCl 표준액의 평균값을 구한다. … V ' (mL)

0. N - HCl

f  =

년    월   일

년  월  일

시약약병 라벨

형식

적정량으로부터 0.1 N-HCl 표준액의 역가(f)를 계산한다.

역가(factor, f) 계산

표준액의 농도를 보정하기 위한 계수를 역가(factor)라 한다.

역가는 일정량의 표준물질과 당량으로 반응하는 표정하려는 용액의 표준물질 상당량의 비로 나타낸다.

[eqn: f = {표준물질의 ~양} over {표정하려는~용액의~표준물질~상당량}]

표준물질로 탄산수소칼륨(KHCO3) W(g)을 칭량하여 표준용액 500 mL를 조제한 후 25 mL를 정확히 취하여 0.1N-HCl 용액을 표정하는데 사용하였다. 이 때 적정에 소비된 HCl 용액의 양이 V'(mL)이었다면, 역가는 다음과 같이 구할 수 있다.

[eqn: f~ =~{ {W~(g~KHCO_3 )} over {500~(mL~KHCO_3 ~용액)}×25~(mL~KHCO_3 ~적정에~사용 )} over { {~V~'~(mL~0.1N-HCl )~× ~0.010~({g~KHCO_3 } over {mL~0.1N-HCl} )}}~=~{W × 25 over 500} over {V~' ×0.010}]

여기서,  f ; 0.1 N - HCl 용액의 역가 (factor)

W ; 칭량한 탄산수소칼륨(KHCO3)의 양 (g)

V ' ; 적정에 소비된 0.1 N - HCl 용액의 양 (mL)

0.010 ; 0.1 N-HCl 1 mL의 탄산수소칼륨 상당량 (g)