본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 배경
전위차 적정법은 기준 전극과 지시 전극 사이의 전위차를 측정함으로써 분석 물질의 농도를 정량하는 방법이다. 이 실험에서는 염소 이온(Cl-)을 포함하는 미지 시료와 수돗물을 대상으로 전위차 적정법을 이용하여 염소 이온의 농도를 정량하였다. 또한 Fajans 법과 Mohr 법 등의 다른 침전 적정 방법과 비교하여 전위차 적정법의 장단점을 살펴보고자 하였다. 전위차 적정법은 기기를 이용하여 자동적으로 적정 종말점을 검출할 수 있어 분석 결과의 정확성과 재현성이 높다는 장점이 있다. 반면 Fajans 법과 Mohr 법은 육안으로 종말점을 관찰해야 하므로 오차가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 이번 실험을 통해 미지 시료와 수돗물 중의 염소 이온 농도를 정량적으로 분석하고, 침전 적정 방법 중 전위차 적정법의 장점을 확인할 수 있을 것이다. []
1.2. 실험 목적
이 실험의 목적은 전위차 적정법을 이용하여 은 이온과 염소 이온 사이의 반응을 관찰하고, 미지 시료 및 수돗물 내 염소 이온의 농도를 정량적으로 분석하는 것이다.
전위차 적정법은 기준 전극과 지시 전극 사이의 전위차를 측정하여 당량점을 결정하는 방법이다. 은 이온과 염소 이온이 반응하여 염화은 침전을 형성할 때, 당량점을 지나면 은 이온의 농도가 급격히 증가하여 전위차가 급변하게 된다. 따라서 전위차 변화를 관찰하면 염소 이온의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다.
전위차 적정법은 인간의 감각에 의존하지 않고 기계적으로 측정을 수행할 수 있어 상대적으로 정확한 실험 결과를 얻을 수 있다. 또한 전위차 측정을 통해 당량점을 정확하게 판단할 수 있으므로, 육안으로 관찰하는 Fajans법이나 Mohr법에 비해 오차가 적다. 이를 통해 미지 시료 및 수돗물 내 염소 이온의 농도를 보다 정확하게 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 실험 이론
2.1. 은 적정법
은 적정법은 표준 용액으로 질산 은을 사용하는 침전 적정법이다. NaCl+AgNO3 → AgCl+NaNO3 반응을 이용한다. 염소 이온을 분석하는 것에 주로 사용되며, Fajans법과 Mohr법 등 적정법에 따라 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
Fajans법은 흡착 지시약을 이용하는 적정법이다. 흡착 지시약은 침전 적정 과정에서 고체 표면에 흡착되거나 탈착되는 유기 화합물이다. 이상적으로는 흡착 또는 탈착이 당량점 근처에서 일어나기 때문에 색의 변화뿐만 아니라 다른 용액과 침전물의 색 이동도 유발한다.
염소 이온을 정량하기 위해 은 이온을 첨가하여 염화은을 생성하는 반응에서, 당량점에 도달하기 전에 용액에는 과량의 염소 이온이 있을 것이다. 이때 일부 염소 이온은 염화은 표면에 선택적으로 흡착되어 결정 표면에 음전하를 띠게 한다. 당량점 이후의 용액에는 은 이온이 과량인 상태로 염화은 표면에 은 이온이 흡착된다. 이때 사용되는 흡착 지시약은 음이온성 염료로, 당량점 직후 생성된 양전하의 침전물 입자에 끌린다. 양전하의 표면에 음전하를 갖는 염료가 흡착되면 염료의 색이 변한다. 적정에서 이 색의 변화가 종말점을 의미한다. 이때 지시약은 침전물의 표면과 반응하므로 가능한 표면적이 넓은 것이 유리하다. 이를 위해 입자 크기를 최대한 작게 유지하여 부피 대비 표면적을 넓힌다.
Mohr법은 지시약으로 K2CrO4를 사용하는 방법이다. 당량점이 되어 분석하고자 하는 물질이 전부 소진되었을 때 계속해서 넣어지는 질산 은 표준 용액과 이 지시약이 반응하여 Ag2CrO4 침전물이 만들어지는 것을 종말점으로 판단한다. 이 방법은 염소 이온 외에도 다른 할로겐 이온과 SCN-, S2-, CN- 등을 적정할 수 있다. 그러나 pH 6~10에서만 반응이 진행되기 때문에 용액 pH를 조절해야 한다.
이처럼 은 적정법은 표준 용액으로 질산 은을 사용하여 침전 반응을 통해 분석 물질의 농도를 정량할 수 있는 방법이다. 흡착 지시약을 사용하는 Fajans법과 K2CrO4 지시약을 사용하는 Mohr법이 대표적이다. 각 방법은 침전 과정과 지시약 특성에 따라 차이가 있으므로, 분석 대상 물질과 실험 환경에 적합한 방법을 선택하여 적정을 수행해야 한다. [1,2,3]
2.2. 전위차 적정법
전위차 적정법은 기준전극과 지시전극 사이의 전위차를 측정하여 당량점을 결정하는 방법이다. 분석하고자 하는 성분에 따라 전위가 변하는 지시전극과 전위가 일정한 기준전극을 연결하고 적정을 하면서 전위차의 변화를 기록한다. 이번 실험에서는 침전적정법의 일종인 전위차 적정법이 사용되었다.
표준용액인 AgNO3가 첨가되어 Cl-와 반응하면, 당량점을 지나 용액 내에 존재하게 되는 Ag+의 농도 변화에 따라 전위가 급격하게 변화하게 된다. 가장 간단한 종말점 결정 방법은 전위/부피 그래프를 나타내는 것이다. 이때 1:1로 반응하는 경우라면 그래프의 급격한 상승 중간 지점이 종말점이 된다. 반응비가 1:1이 아닌 경우에도 반응비에 따라 종말점을 결정할 수 있다. 다만 종말점에서의 기울기가 매우 크기 때문에 1:1 지점을 종말점으로 해도 큰 오차가 발생하지 않는다.
전위차 적정법은 기준전극과 지시전극 사이의 전위차를 측정하여 종말점을 결정하므로, 사람의 감각에 의존하지 않고 기계적으로 측정할 수 있다. 따라서 상대적으로 정확한 실험 결과를 얻을 수 있다. 특히 Cl-와 같은 할로겐화물을 분석하는 데 적합한 방법이다.
전위차 적정법에서는 적정 용액인 AgNO3와 미지 시료가 반응하여 생성되는 AgCl의 농도 변화에 따라 전위차가 변화한다. 당량점 부근에서 전위차가 급격하게 변화하므로, 이 지점을 종말점으로 판단할 수 있다. 전극으로는 Ag/AgCl 전극과 Ag wire 전극이 사용되었다. Ag/AgCl 전극은 기준전극으로, 전위가 일정하게 유지되며, Ag wire 전극은 지시전극으로, 분석 물질의 농도 변화에 따라 전위가 변화한다.
전위차 적정법은 침전적정법의 일종이지만, 육안으로 관찰하는 Fajans법이나 Mohr법과 달리 기계적으로 측정할 수 있어 상대적으로 정확한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 특히 농도가 낮은 시료, 예를 들어 수돗물 내 Cl-의 농도를 분석할 때 유용하게 사용될 수 있다.
2.3. 흡착 지시약
흡착 지시약은 적정 과정에서 고체 표면에 흡착되거나 표면에서 탈착되는 유기 화합물이다. 이상적으로는 흡착 또는 탈착이 당량점 근처에서 일어나기 때문에 용액과 침전물의 색 변화를 유발한다.
Cl- 를 정량하기 위해 Ag+를 첨가하여 AgCl을 생성하는 반응의 경우, 당량점에 도달하기 전에 용액에는 과량의...
