pH 측정 실험 보고서

1. 실험 목적

 

1) 규정된 품질의 제품을 생산하고, 제품의 생산단가를 낮추기 위해

2) 각종 반응 공정상의 안전 확보

3) 법적 규제를 지키며, 환경 파괴를 방지하기 위해

4) 연구 개발을 통한 새로운 기술을 습득하기 위해

 

 

2. 실험 이론

 

pH(power of hydrogen, puissance d’hydrogene)는 용액에 존재하는 수소 이온H+의 농도이다.

수소 이온은 반응성이 매우 커서 홀로 존재할 수 없으므로 물과 결합하여 더 안정한H₃O+를 생성한다.

따라서 보통 H+(aq)는 H₃O+를 의미하게 된다.

이것의 농도를 나타내기 위해 사용되는 10의 지수를 pH라 한다.

용액의 pH는 수소 이온 농도의 임의 상용대수(log)로써 정의한다.

 

pH=-log[aH3O+]

매우 묽은 용액이 아니면 모든 용액에서 이온간의 상호작용이 존재하기 때문에 몰농도 대신 이온의 활동도를 사용하지만,

이온세기<0.1의 매우 묽은 용액에서 몰농도와 활동도는 거의 같다.

물은 수소 이온과 수산화 이온으로 해리되며 다음 식을 만족한다.

H2O ↔ H+ + OH-

[H+][OH-] = 1.0x10^(-14)

pH+pOH = pKw = 14.00

 

3. 실험 재료 및 기구

시험관 : 간단한 화학반응에 주로 사용되는 기다란 원통형의 실험기구로, 실험 조건을 다르게 해서 여러 번 실험해야 하는 경우에 편리

시험관대 : 시험관이 쓰러지지 않도록 고정시켜주는 틀

스포이드 : 한쪽 끝에는 고무주머니가 달려 있고 다른 쪽 끝은 가늘게 되어 있는 유리관으로 된 화학실험도구를 말한다. 소량의 액체를 빨아내거나 한 방울씩 떨어뜨리는 데 사용

비커 : 액체를 담는 용기

눈금 실린더 : 눈금이 적혀 있어 용액의 부피를 잴 수 있는 기구

눈금 피펫 : 필요한 양의 용액을 다른 용기에 옮겨담을 때 필요한 기구

리트머스 종이 : 리트머스 수용액을 이용해 물들인 종이로, 용액의 성질이 산성인지 염기성인지 판별하는 데 사용된다. 산성 용액에 넣으면 붉은색으로, 염기성 용액에 넣으면 푸른색으로 변한다. 

염화수소 : 화학식 HCl, 대표적인 강산. 무색의 유독한 기체이다. 물에 녹아 염산이 된다.

아세트산 : 화학식 CH3COOH, 대표적인 약산. 물에 희석시키면 식초가 된다.

수산화나트륨 : 화학식 NaOH, 대표적인 강염기. 공기 중의 물을 흡수해 스스로 녹는 조해성이 있으므로 보관 시 공기 접촉을 차단해야 한다.

암모니아 : 화학식 NH3, 대표적인 약염기. 고약한 냄새가 나며 비료와 요소 수지 등을 만드는데 쓰인다. 물에 잘 녹는다.

메틸오렌지 : 아조기(-N=N-)를 갖고 있는 아조원료로서, 염기성 용액 속에서는 아조기를 유지하고 있다가 산성 용액으로 변하면 수소이온(H+)이 달라붙으면서 구조가 변한다. 아조기는 노란색을 띠고, 용액의 산성도가 강해질수록 붉은색이 진해진다.

메틸바이올렛 : 염기성 용액의 하나. 산성에서는 노란색, 염기성에서는 푸른빛을 띤 녹색으로 변한다.

4. 실험 방법

(1)예비 실험

눈금피펫으로 아세트산과 진한 암모니아수를 2mL씩 2개의 비커에 각각 따로 취해 넣는다.

증류수를 아세트산에는 30mL, 암모니아수에는 26mL씩 가하여 각각 1M-초산과 암모니아수를 준비한다. 

눈금피펫으로 1M초산과 암모니아수를 4:1, 3:2, 2.8:2.2, 2.6:2.4, 2.5:2.5, 2.4:2.6, 2.2:2.8, 2:3, 1:4의 비율로 각각 9개 시험관에 취해 넣고 잘 흔든 다음 리트머스액을 한 방울씩 떨어뜨려 생긴 색깔을 관찰한다.

(2)지시약에 의한 pH측정

a. 산성 표준액

0.1M 염산 약 5mL를 꺠끗한 시험관에 취하여 10^(-1)M임을 표시하고 따로 0.5mL를 시험관에 취하여 증류수 4.5mL를 눈금피펫으로 재어 넣고 잘 섞은 다음 10^(-2)M임을 표시한다. 같은 방법으로 10^(-3)M 염산을 만들고 다시 10^(-3)M 염산으로 10^(-4)M 염산을 만들어 각각 해당하는 농도를 표시한다.

각 표준 용액을 깨끗한 시험관에 반씩 나누어 넣어서 표준 용액 두 벌을 준비하고 각 농도를 표시한다. 한 벌의 표준 용액에는 트로페올린 지시약을, 다른 한 벌에는 메틸오렌지 지시약을 각각 한 방울씩 잘 섞은 다음 색깔을 관찰한다.

b. 염기성 표준액

0.1M 염산 대신에 0.1M 수산화나트륨을 써서 실험 a와 같은 방법으로 10^(-1), 10^(-2), 10^(-3), 10^(-4) M 수산화나트륨 용액을 만들어 각각의 농도를 표시한다. 한 벌의 표준 용액에는 인디고카아민 지시약을, 다른 한 벌에는 알리자린옐로우 R 지시약을 각각 한 방울씩 가하여 각 농도에 대하여 색깔을 관찰한다. 실험 a와 b에서 실험에 사용한 착색된 표준 용액들은 다음 실험을 위하여 보관한다.

c. 미지 시료 용액

실험 조교로부터 미지 시료 용액을 시험관에 받아 그 일부를 다른 시험관에 취하여 리트머스액 한 방울을 가하여 산성(붉은색)인지 염기성(푸른색)인지 예비 조사한다. 2개의 시함관에 미지시료 용액을 약 2mL씩 나누어 넣은 다음 산성 용액이면 하나의 시험관에는 트로페올린 지시약을, 다른 시험관에는 메틸오렌지 지시약을 한 방울씩 가한다. 만일 염기성 용액이면 인디고카아민과 알리자린옐로우 R 지시약을 한 방울씩 가하여 나타난 색깔을 실험 a와 b에서 만든 표준색과 비교하여 미지시료 용액의 pH를 결정하고 남은 미지 시료 용액은 다음 실험을 위하여 보관해 둔다.

(3) pH시험지에 의한 측정

pH시험지는 pH지시약을 여과지에 흡수시킨 것으로 지시약과 같이 용액의 pH에 따라 변한다. 용액을 pH 시험지에 한 방울 떨어뜨리거나, 용액 속에 시험지의 끝을 담그고 변색된 색의 중앙부의 색과 표준 변색표의 색을 비교하여 pH를 결정한다. 실제로 측정하는 데는 용액의 pH가 변색 번위에 들어가도록 몇 종류의 시험지로 실시한다. pH시험지 세트가 준비되지 않았으면 변색 pH 시험지로 대응하여 다음 실험을 한다.

(4) pH미터에 의한 측정

pH미터는 보통 유리 전극과 기준 전극으로 된 검출부와 검출된 전위차를 나타내는 지시부로 구성되며, 검출부에는 필요에 따라 온도 보정용 검지부, 그리고 지시부에는 비대칭 전위 보정용 조절기 및 온도 또는 감도 보정용 조절기가 있다. 

a. 측정 준비

사용하기 전에 전원을 연결하고 전극을 증류수로 여러 번 씻고 여과종이로 물기를 없앤다.

b. pH미터 조정

유리 전극 pH미터는 하루 한 번 이상 비대칭전위와 감도를 보정하기 위해 두 가지의 pH표준 용액 표로 조정하여야 한다. 측정 준비가 끝나고 미터의 바늘이 서면 영점 조절 다이얼로 바늘을 pH에 맞춘다. 깨끗한 비커에 인산염 표준 용액 50mL을 취하여 전극의 끝을 담가 온도 조절기가 있는 장치는 조절기의 눈금을 표준 용액의 온도에 맞추고 측정 스위치를 넣은 다음 pH미터의 지시가 표에 나타난 값과 일치하도록 비대칭 전위 조정 다이얼을 조정한다. 측정용 스위치를 껐다가 다시 넣어 pH값의 재현성을 확인한다. 다시 측정용 스위치를 끄고 비커에 올려서 증류수로 여러 번 깨끗이 씻은 다음 거름종이로 물기를 닦은 후 측정하고자 하는 용액의 pH가 7인 경우에는 전극을 프탈산염 표준 용액에 담가 측정스위치를 넣고 간이형 pH미터로 표의 값과 0.1 이내로 일치하는가를 조사하고, 만일 일치하지 아니할 때는 표의 값과 일치하도록 감도 조절 다이얼을 돌려서 맞춘다. 측정하고자 하는 용액의 pH가 7 이상인 경우에는 붕산염 표준 용액에, pH가 2 이하인 경우에는 옥살산염 표준 용액에, pH가 10 이상인 경우에는 탄산염 표준 용액에 각각 전극을 담가 위의 조작에 따라 처리한다. pH 11 이상의 측정에는 탄산염을 포함하지 않은 0.1M 수산화나트륨 용액 및 섭씨 25도에서 포화수산화칼슘을 표준 용액으로 사용하는데 이 수용액의 각 온도에서의 pH는 표와 같다.

c. pH 측정

pH미터의 조정이 끝난 다음에 곧 다음 순서에 따라 용액의 pH를 측정한다. 전극을 들어올려 끝을 깨끗이 증류수로 씻고 거름종이로 물기를 닦은 다음 다시 전극을 용액에 담가 조심스럽게 용액을 흔든다. 측정 스위치를 넣고 바늘이 안정되면 pH값을 읽는다. 세 번 측정한 값이 0.1 이내의 범위에서 일치되도록 한 다음 그 값을 평균하여 용액의 pH를 결정한다. pH11 이상을 측정할 때에는 보통의 유리 전극은 알칼리 오차가 생겨서 측정값이 낮은 값을 나타내기 쉽다. 측정하고자 하는 용액과 다른 온도에 있는 표준 용액으로 조정한 경우, 온도보정 다이얼의 눈금을 측정하고자 하는 용액의 온도에 맞춘다. 또는 자동온도 보정용 감온부를 측정하고자 하는 용액에 담가 측정한다. 측정이 끝나면 전원 스위치를 끄고 전극의 끝을 증류수로 깨끗이 씻은 다음 유리전극은 증류수 속에, 기준 전극은 적당한 농도의 염화칼륨 용액 속에 끝을 담가 보관한다.