염기 표준용액의 조제 및 표정

실습목표

고체의 수산화나트륨을 용해하여 0.1 N-수산화나트륨 표준액을 조제할 수 있다.

술퍼민산(HOSO2NH2)을 표준물질로 하여 0.1N-수산화나트륨 표준액을 정확히 표정할 수 있다.

실습 재료

수산화나트륨(NaOH, Sodium Hydroxide, F.W.=40), 술퍼민산(Sulfamic acid, HOSO2NH2, F.W.=97.10), 브롬티몰블루우(bromthymol blue, C27H28Br2O5S), 에틸알콜(95%)(ethyl alcohol, C2H5OH, F.W.=46.07)

기기/기구

전자저울, 건조기, 데시케이터(desiccator), 비이커(500mL), 메스플라스크(measuring flask, l L), 홀피펫(full pipet, 25 mL), 삼각플라스크, 뷰렛(burette, 50 mL)세척병, 라벨, 천칭, 약포지, 약수푼, 파라핀 랩, 티슈

관계 이론

염기와 중화반응

스웨덴의 과학자 아레니우스는 염기란 수용액에서 이온화하여 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질이라고 정의하였다. 물질에 따라 수용액 중에 이온화하여 내놓는 OH-의 농도가 클수록 강염기이다. 강염기에는 NaOH, KOH. Ba(OH)2, Ca(OH)2가 있으며 약염기에는 NH3, C6H5NH2, 등이 있다

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

HCl  +  NaOH  →  NaCl  +  H2O

(산)      (염기)      (염)      (물)

수산화나트륨의 반응

수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH, F.W.=40)은 백색의 고체로 조해성을 가지고 있어 공기중의 물과 이산화탄소를 흡수하여 탄산염이 생성된다. 물에 녹기 쉬우며 다량의 열을 발생하고 수용액은 강알칼리성을 나타낸다.

술퍼민산(sulfamic acid, HOSO2NH2, F.W. = 97.10)은 무색, 무취의 결정으로 비휘발성, 비흡수성이며 대기 중에서 안정한다. 염기 표준액의 1차 표준물질이고 아질산 표준액의 표정에도 사용된다.

염기 표준액에는 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화바륨[Ba(OH)2] 등이 있다.

염기 표준액의 1차 표준물질로는 프탈산수소칼륨[C6H4(COOK)COOH], 옥살산(H2C2O4), 술퍼민산(HOSO2NH2) 등이 있다.

조해성(deliquescene)이란 고체가 대기 중에 방치되어 있을 때, 대기 중의 수증기를 잡아 스스로 수용액을 만드는 현상이다. 고체의 포화수용액의 수증기압이 그것과 접촉하는 대기의 수증기의 분압보다 작을 경우에 일어난다. 조해성 물질로는 수산화나트륨, 염화칼슘 등이 있다.

술퍼민산(HOSO2NH2)에 의한 0.1 N-NaOH 표준액의 표정 관련 반응

술퍼민산(HOSO2NH2, F.W=97.10)과 수산화나트륨(NaOH)의 반응은 다음과 같이 정량적으로 이루어진다.

H2NSO3H  +   NaOH   →

(표정물질, 산)   (적정액, 염기)

H2NSO3Na  + H2O ; 중화반응 ……㉠

이 반응식으로부터 H2NSO3H 1 mol ≡ 97.10 g-H2NSO3H ≡ NaOH 1 mol ≡ 1 g 당량

∴ H2NSO3H 1 mol은 1 g당량이다.

수산화나트륨 표준액의 농도와 역가 계산

수산화나트륨 표준액의 농도는 다음과 같이 구할 수 있다.

NaOH 1 mol ≡ HOSO2NH2 1 mol ≡ 97.10 g-H2NSO3H ≡ 1 g 당량

화학반응은 같은 당량으로 반응하므로,

NaOH(염기)의 당량 = HOSO2NH2(산)의 당량

[eqn: NaOH~농도({g~당량} over{L}) ×V(mL~적정에~소비된~NaOH~용액) × 1(L) over 1,000(mL)]

[eqn: = {술퍼민산~채취량(g~HOSO_2 NH_2 )} × { {1(g~당량~HOSO_2 NH_2 )} over {97.10(g~ HOSO_2 NH_2 )}} × {{적정에~사용한~술퍼민산용액의~양, V′(mL)} over {조제한~술퍼민산용액의~양,T(mL)}}]

[eqn: N×V over 1,000 = A×V′ over 97.10×T]        ∴ [eqn: N~=~ {1,000timesA×V′ } over {97.10 timesV×T }]

여기서, N : NaOH 표준액의 농도(N)

V : 적정에 소비한 NaOH 표준액의 부피(mL)

A : 술퍼민산(표준물질)의 채취량(g)

T : 조제한 술퍼민산용액의 양(mL)

V' : 적정에 사용한 술퍼민산용액의 양(mL)

97.10 : 술퍼민산(표준물질) 1 g당량의 질량(g)

예를 들어, 술퍼민산 0.24g을 칭량하여 물에 녹인 후 수산화나트륨 표준액으로 적정하였을 때 25.4mL가 소비되었다면 수산화나트륨 용액의 농도(N)는 다음과 같다.

[eqn: N= { 1,000×A×V′} over {~E~×V×T }= {1,000×0.24 } over {~97.10~times~25.4~ } =0.0973(N)]

즉, 수산화나트륨 용액의 농도는 0.0973N 이다.

또한, 0.1N-수산화나트륨 표준액의 역가(f)는 다음과 같이 구한다.

[eqn: f~=~ { 수산화나트륨~표준액의~실제농도} over {수산화나트륨~표준액의~이론농도 }~=~ { 0.0973(N)} over {0.1(N) }~=~0.973]

즉, 0.1N-수산화나트륨 표준액의 역가는 0.973이다.

주의사항

수산화나트륨은 극약이므로 피부에 접촉되거나 눈에 들어가지 않도록 안전하게 다룬다.

수산화나트륨은 조해성이 있어 공기중의 수분과 이산화탄소를 흡수하여 탄산나트륨이 생성되므로 신속하게 칭량한다.

지시약을 과량 사용하면 판정이 어려우므로 적당량 사용한다.

실습순서

시약 조제

0.1N-NaOH 용액

위의 ㉠ 반응식으로부터, NaOH 1 mol은 1 g당량이다.

[eqn: {1~mol~NaOH } over {1 ~g~당량~NaOH } × {40.01~g-NaOH }over {1~mol~NaOH } × {1~g~당량~NaOH /L } over {1~N-NaOH } × 0.1~N-NaOH = 4.0~g-NaOH /L]

따라서, 수산화나트륨 4.0 g을 정확히 칭량하여 물에 녹여 전체 1 L가 되도록 한다.

B.T.B. 지시약

bromthymol blue(C27H28Br2O5S) 0.1g을 에틸알콜(95%)에 녹이고 물을 넣어 100 mL로 한다.

0.1 N-NaOH 표준액의 표정

조제

수산화나트륨(NaOH) 약 4g을 신속히 달아 증류수 500mL가 들어 있는 비이커에 넣고 용해시킨다. 이때 열과 연기가 발생하므로 주의한다.

위 용액을 1 L 메스 플라스크에 옮기고 비이커를 여러 번 물로 씻어 메스플라스크에 넣은 다음 증류수를 표시선까지 채운다.

표정

술퍼민산(Sulfamic acid, H2NSO3H, F.W.=97.10)을 실리카겔 데시케이터에서 약 48시간 건조시킨 후 2～2.5 g (= A g)을 정확히 달아 물에 녹여 250mL 메스플라스크에 옮겨 넣고 물로 표선까지 채운다.

이 용액 25 mL를 삼각플라스크에 분취하고 B.T.B 지시약 3～4 방울을 가한다.

표정하려는 0.1N-수산화나트륨 용액으로 적정하여 액의 색이 노란색에서 파란색(녹색)으로 변화하는 점을 종말점으로 한다.

B.T.B 지시약의 변색 범위 ;

작다      pH      크다

[ 노란색(yellow) ←   6.0 ～ 7.6   → 파란색(blue) ]

같은 방법으로 3회 반복 실습하여 적정량의 평균값을 구한다. (V mL)

적정량으로부터 수산화나트륨 표준액의 정확한 농도와 역가를 계산한다.

역가 계산

[eqn: N~=~ {1,000timesA×V′ } over {97.10 timesV×T }]

여기서, N : NaOH 표준액의 농도(N)

V : 적정에 소비한 NaOH 표준액의 부피(mL)

A : 술퍼민산(표준물질)의 채취량(g)

T : 조제한 술퍼민산용액의 양(mL)

V' : 적정에 사용한 술퍼민산용액의 양(mL)

97.10 : 술퍼민산(표준물질) 1 g당량의 질량(g)