본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 제목 및 목적
이 실험의 제목은 "A study of pH, Dissociation, Hydrolysis & buffers, Titration curve"이다. 이 실험의 목적은 다음과 같다.
첫째, pH, Dissociation, Hydrolysis & buffers의 정의와 원리, 계산식을 이론으로 습득한다. 둘째, 여러 가지 용액의 pH를 측정하고 비교해본다. (pH meter 이용) 셋째, 표준용액과 완충용액에 대해 알아보고 다양성자산에 대해 알아본다. 넷째, 몰농도와 노르말농도를 이해하고 Auto Titrator를 이용한 적정을 통해 인산(다양성자산)의 적정곡선을 얻는다.
이를 통해 산-염기 평형, 완충용액, 적정 등의 개념을 심도 있게 이해할 수 있을 것이다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 산-염기의 정의
산-염기는 세 가지 측면에서 정의할 수 있다.
첫째, Arrhenius 산은 수용액 상태에서 물에 해리되어 수소 이온(H⁺)을 내놓는 물질이며, Arrhenius 염기는 수용액 상태에서 물에 해리되어 수산화 이온(OH⁻)을 내놓는 물질이다. 그러나 이 정의는 비수용액 상의 물질이나 수소 이온(H⁺) 또는 수산화 이온(OH⁻)이 없는 고체나 기체상에는 적용할 수 없다는 한계가 있다.
둘째, Brønsted-Lowry 산은 수소 이온(H⁺)을 내놓는 분자나 이온이며, Brønsted-Lowry 염기는 수소 이온(H⁺)을 받아들이는 분자나 이온이다. Arrhenius 정의에서 확장된 개념이지만, 산이 이온화될 수 있는 수소 원자를 포함해야 한다는 한계가 있다.
셋째, Lewis 산은 다른 물질의 비공유 전자쌍을 받는 물질로 전자쌍 받개이며, Lewis 염기는 다른 물질에 비공유 전자쌍을 내놓는 물질로 전자쌍 주개이다. 브뢴스테드-로우리 정의에서 확장된 개념이다. 루이스 산과 염기 사이의 결합은 배위 결합 또는 배위 공유 결합이라고 한다.
이처럼 산과 염기는 세 가지 측면에서 정의할 수 있으며, 각 정의에 따라 산과 염기의 종류와 특성이 다르게 나타난다."
1.2.2. pH의 정의
수용액이 산성, 중성, 염기성인가는 그 용액의 수소이온 농도([H+])에 의존한다. 수소 이온 농도([H+])는 매우 작은 값이므로 pH로서 산도를 표시한다. pH는 용액 속에 수소 이온(H+)이 얼마나 있는지를 알 수 있게 하는 척도로서, 즉, 용액의 산성도를 나타내는 척도이다. pH는 0부터 14까지 나타낼 수 있는데, pH가 7일 때는 중성이며, 7보다 작으면 산성, 7보다 크면 염기성이다. pH는 로그 수치이기에 pH가 1씩 감소하면 수소 이온(H+)이 10배씩 증가함을 알 수 있다. pH=log{1}over{[H+]}=-log[H+]이다.
1.2.3. 해리와 이온화
해리는 분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온 또는 보다 작은 분자들로 나누어지는 현상을 말한다. 해리 반응은 가역적인 반응으로 평형상태가 존재한다. 예를 들어, 염산(HCl)이 물에 녹아 수소 이온(H+)과 염소 이온(Cl-)의 두 이온으로 해리되고, 아세트산(CH3COOH)이 다원자 이온인 아세테이트(CH3COO-)와 단원자 이온인 수소 이온(H+)으로 해리된다.
이온화는 중성의 분자 또는 원자에서 전자를 잃거나 얻는 등의 전자 이동이 일어나 전하를 띠게 되는 반응을 말한다. 예를 들어, 고체 염화나트륨(NaCl)을 녹이면 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl-)으로 이온화된다.
해리와 이온화의 차이점은 해리는 분자 전체가 나누어지는 것이고, 이온화는 중성 분자나 원자에서 전자의 이동이 일어나 전하를 띠게 되는 것이다. 즉, 해리는 분자 단위의 반응인 반면, 이온화는 원자 단위의 반응이라고 할 수 있다."
1.2.4. 해리상수와 해리도
해리상수와 해리도는 산-염기 반응에서 매우 중요한 개념이다. 해리상수(Dissociation constant)는 산 또는 염기가 수용액 상에서 해리되는 정도를 나타내는 평형상수이다. 이 값이 클수록 산 또는 염기의 이온화 경향이 크다는 것을 의미한다.
산 해리상수(Ka)는 다음과 같이 정의된다:
HA ? H+ + A-
Ka = [H+][A-] / [HA]
여기서 HA는 산, A-는 이온화된 산의 짝염기, H+는 수소 이온이다. Ka값이 클수록 산의 세기가 강하다. 대표적인 강산인 염산(HCl)의 Ka값은 매우 크기 때문에 수용액에서 거의 완전히 해리된다. 반면 약산인 아세트산(CH3COOH)의 Ka값은 1.8x10-5로 상대적으로 작기 때문에 완전히 해리되지 않는다.
염기 해리상수(Kb)는 다음과 같이 정의된다:
B + H2O ? BH+ + OH-
Kb = [BH+][OH-] / [B]
여기서 B는 염기, BH+는 양성자를 받아 양이온이 된 염기, OH-는 수산화 이온이다. Kb값이 클수록 염기의 세기가 강하다. 대표적인 강염기인 수산화나트륨(NaOH)의 Kb값은 매우 크기 때문에 수용액에서 거의 완전히 해리된다.
해리도(Degree of dissociation)는 용질 전체 중 해리된 비율을 나타내는 지표로, 다음과 같이 정의된다:
α = [H+] / √(c x Ka) (산의 경우)
α = [OH-] / √(c x Kb) (염기의 경우)
여기서 α는 해리도, c는 용질의 농도이다. 해리도가 1에 가까울수록 용질이 거의 완전히 해리된 것을 의미한다.
결론적으로 해리상수와 해리도는 산-염기 평형에서 매우 중요한 개념으로, 화학 및 생화학 분야에서 널리 활용되고 있다.
1.2.5. 가수분해
가수분해는 어떤 물질이 물에 녹을 때 생긴 이온의 일부가 물과 반응하여 수소 이온(H+)이나 수산화 이온(OH-)을 내놓는 반응을 말한다. 산과 염기의 중화반응으로 생성되는 염 중에는 가수분해하여 산성과 염기성을 띠는 것이 많다.
강산과 강염기의 중화 반응에서 생성되는 염은 가수분해를 거의 일으키지 않지만, 약산과 약염기의 중화 반응에서 생성되는 염은 짝산과 짝염기 이온에서 가수분해가 일어난다. 예를 들어 약산인 아세트산(CH3COOH)의 음이온인 아세트이온(CH3COO-)이 물과 반응하여 아세트산과 수산화 이온(OH-)을 생성하는 가수분해 반응이 일어난다. 또한 약염기인 암모늄 이온(NH4+)이 물과 반응하여 암모니...
