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1. 실험 목적 및 원리
1.1. 산-염기 중화 반응의 이해
산-염기 중화 반응은 산(H+)과 염기(OH-)가 반응하여 물(H2O)과 염(A-)을 생성하는 반응이다. 대표적인 산-염기 중화 반응은 다음과 같다.
HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)
이 반응에서 염화수소(HCl)는 산, 수산화나트륨(NaOH)은 염기로 작용한다. 이들이 반응하여 염화나트륨(NaCl)과 물(H2O)이 생성된다.
산-염기 중화 반응은 화학 양론적으로 일어나기 때문에 반응에 소비된 산이나 염기의 양을 정확히 측정하면 용액 속에 남아있는 산이나 염기의 농도를 알아낼 수 있다. 이를 적정 실험에 활용한다.
적정에서는 표준 용액을 천천히 가하면서 지시약의 변색으로 중화점(당량점)을 찾는다. 당량점에서는 MaVa = MbVb가 성립한다. 여기서 Ma, Va는 산의 농도와 부피이고 Mb, Vb는 염기의 농도와 부피이다. 따라서 이 관계를 이용하면 미지 시료 속 산이나 염기의 농도를 구할 수 있다.
이처럼 산-염기 중화 반응은 화학 분석에 널리 활용되며, 생활 속 다양한 물질의 농도 분석에도 사용된다.
1.2. 생활 속 산과 염기의 농도 분석
생활 속 산과 염기의 농도 분석은 산-염기 중화 반응을 이용하여 다양한 생활용품 속 산과 염기의 농도를 정량적으로 분석하는 것이다. 실험에서는 식용식초와 제산제를 대상으로 적정 기법을 활용하여 그 성분 및 농도를 분석하였다.
식용식초의 경우, 식용식초 10 mL를 증류수 40 mL와 혼합하여 산-염기 적정을 수행하였다. 페놀프탈레인 지시약을 사용하여 식초 용액의 중화점을 찾고, 미리 표준화된 NaOH 용액의 소비량을 통해 식초 속 아세트산의 농도를 계산하였다. 그 결과, 식초 속 아세트산의 농도는 약 6.40%로 나타났다.
같은 방식으로 제산제에 대한 적정 실험도 진행하였다. 제산제 1.00 g을 물에 녹인 용액에 0.50 M HCl 표준용액을 가한 뒤, 다시 0.50 M NaOH 표준용액으로 적정하여 중화점을 찾았다. 그 결과, 제산제에 포함된 탄산수소나트륨의 순도는 약 70.56%로 확인되었다.
이처럼 산-염기 중화 반응을 이용한 적정 기법은 생활용품 속 산과 염기의 농도를 정량적으로 분석하는 데 효과적이다. 그러나 약산이나 약염기를 다룰 경우 당량점 부근에서의 pH 변화가 크지 않아 정확한 당량점 측정이 어렵다는 한계가 있다. 따라서 이러한 경우에는 역적정 등의 방법을 활용하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다.
2. 실험 방법
2.1. NaOH 용액 제조 및 표준화
NaOH 용액을 제조하고 표준화하는 과정은 이 실험에서 매우 중요한 부분이다. 먼저 NaOH 용액을 제조하기 위해 NaOH 5.00 g을 저울로 정확히 달아 250 mL 부피플라스크에 넣고 증류수로 녹인 후 250 mL 눈금까지 채운다. 이 용액의 이론적인 몰농도는 0.508 M이다.
그 다음 이 NaOH 용액의 정확한 농도를 알아내기 위해 표준화 과정을 거친다. 먼저 NaOH 용액 30.00 mL를 정확히 취해 삼각플라스크에 넣고 페놀프탈레인 지시약을 가한 후 0.5 M 옥살산 표준용액으로 적정한다. 옥살산 표준용액의 소비량을 정확히 ...
