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자연과학 자료실 화학공학 기초 실험 - 완충용액

 

[자연과학] 화학공학 기초 실험 - 완충용액

 

화학공학 기초 실험 - 완충용액

 

1. 서론

- 실험 목적

산, 염기반응의 pH 적정원리를 이해하고, 완충용액을 사용하는 목적을 이해한다.

 

- 요약

산, 염기 반응의 pH 적정의 원리를 이해하고 완충용액을 사용하는 목적을 이해하고 이를 위해 약산 EDTA를 KOH로 적정하여 pH변화를 구한다.

Acetate 완충용액은 약염기와 그 염을 포함하고 있으므로 이때의 pH는 급변하지 않음을 알 수 있다.

0.1M 인 약산 EDTA(pka) 500㎖를 0.1M 수산화칼륨으로 적정할 때 적당한 pH변화를 구하고 또한 0.2M Acetate 완충용액(pH 5.0) 3ℓ를 식초산나트륨 (3수화물:MW〓136)과 1M의 식초산 수용액의 소비량도 계산한다.

 

2. 실험 이론

강산을 강염기로 적정할 때 pH는 적정되지 않는 산이나 과잉 염기의 농도만으로 구해질 수 있다. 이는 생성된 염기(Ex Cl)가 pH에 어떠한 영향도 미치지 않기 때문이다. 그러나 약산을 강염기로 적정할 때는 몇 가지 고려할 점이 있다.

어떤 약산이 수용액에서 이온화되어 소량의 H이온을 생성할 때 다음과 같이 된다.

 

OH이온이 첨가되면 H 이온을 중화시켜 다음과 같이 된다.

 

H이온의 제거는 약산과 그 이온들 사이의 평형을 방해한다. 따라서 더 많은 HA가 이온화 되어 다시 평형에 도달하게 된다. 새로이 형성된 H이온은 더욱 OH 이온에 의해 원래의 모든 수소가 중화될 때까지 계속해서 중화시킨다. 반응식으로 표현하면 아래와 같다.

 

이때, A이온의 가수분해로 인하여 적정의 종말점(혹은 당량점)에서 pH값은 7보다 높아지는 데, 이는 식(3)의 잔존 HA가 감소하면서 새로운 화학적 평형에 도달하기 때문이다. 가역반응인 위의 반응식에서 화살표의 좌측의 물질이 감소하였으므로, 반응은 좌측물질을 생성하는 방향으로 자발적으로 진행된다. 이렇게 생성된 A이온이 물과 반응하여 OH이온과 약산인 HA를 형성하기 때문에 종말점에서의 pH가 7 이상이게 되는 것이다.

완충제는 이와 같은 원리에 의하여 pH 적정 시 급격한 변화를 방지해 주는 물질이다. 보통 완충 물은 산과 염기의 두 가지의 혼합물질로 구성되어 있다. 산성완충용액은 약염기와 그 염을 포함하는데, 이 두 물질이 첨가되는 H이온 또는 OH이온을 흡수하기 때문에 완충구간에서 pH의 급격한 변화가 일어나지 않게 되는 것이다.

 

◆ 참고 : 약산 HA의 K 와 pH와의 관계는 Henderson-Hasselbalch 식에 의해

다음과 같이 표기 할 수 있다.

 

 

- 완충용액

외부로부터 어느 정도의 산 또는 염기를 가해도 일정 구간 내에서는 첨가물이 pH에 영향을 미치지 않고, 수소이온농도를 일정하게 유지하는 용액이다. 일반적으로 약한산과 그 짝염기, 혹은 약한 염기와 그 짝산의 혼합용액이 완충작용을 한다.

(Ex 아세트산과 아세트산나트륨)

- ①

아세트산은 위와 같은 반응을 통해 물속에 이온상태로 녹게 되는데, 이때 아주 소량만의 아세트산만이 이온상태로 물속에 녹게 되기 때문에 아세트산이온의 농도는 매우 작다.

한편, 아세트산나트륨은

- ②

위 반응을 통해 이온상태로 대부분이 분해되므로, 용액 속의 아세트산이온의 농도는 아세트산나트륨의 농도에 따라 결정된다. 이 용액에 외부에서 수소이온 H+이 가해지면 ②식에서 생긴 대량의 CH3COO-과 반응하여 ①식의 평형에 의해서 오른쪽에서 왼쪽으로 나아가고, 가해진 H+은 아세트산이 되어 제거되므로, 용액의 수소이온농도는 거의 변하지 않는다. 또 수산이온 OH-이 가해지면 용액속의 H+은 중화되어 제거되지만 ①식의 평형은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하여 다시 H+을 생성하여 용액의 수소이온농도를 거의 일정하게 유지한다. 이와 같은 작용을 완충작용이라 하며, 이는 생체 내에서 특히 중요한 구실을 한다.

 

3. 실험

A. 실험장치

플라스크, 비이커, 뷰렛

 

B. 시약 및 시료

KOH, EDTA (Ethyldiamine tetraace

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