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1. 산-염기 중화적정
1.1. 실험 목적
산-염기 중화적정 실험의 목적은 중화적정의 원리와 과정을 이해하고, 이를 활용하여 미지 농도의 산이나 염기 용액의 농도를 측정할 수 있게 하는 것이다.
구체적으로 이 실험을 통해 학생들은 중화반응의 양적 관계를 파악하고, 중화점 부근에서의 pH 변화를 이해할 수 있다. 또한 지시약의 선택과 역할을 이해하여 중화반응의 종말점을 정확히 찾을 수 있게 된다. 나아가 이러한 중화적정 기술을 활용하여 실제 식초 등의 일상 속 용액에 함유된 산의 농도를 측정할 수 있다.
즉, 이 실험을 통해 학생들은 산-염기 화학반응의 기본 원리와 적정 기술을 습득하고, 이를 실제 문제 해결에 적용할 수 있는 능력을 기를 수 있게 된다.
1.2. 중화적정의 원리
1.2.1. 산과 염기의 중화 반응
산과 염기의 중화 반응은 산의 수소 이온(H+)과 염기의 수산화 이온(OH-)이 반응하여 물(H2O)이 생성되는 과정이다. 이 반응은 다음과 같은 알짜 이온 반응식으로 나타낼 수 있다.
H3O+ + OH- → 2H2O
여기서 H3O+는 옥소늄 이온이라고 하며, 수소 이온(H+)을 나타낸다. 이 반응은 물의 자동 이온화 반응의 역반응으로, 반응 속도가 매우 빠르고 평형 상수가 1014(25°C)로 매우 크기 때문에 반응이 거의 완전히 진행된다.
중화 반응에서는 산의 수소 이온 몰 수와 염기의 수산화 이온 몰 수가 같아야 하므로, 다음 식이 성립한다.
na × Ma × Va = nb × Mb × Vb
여기서 a와 b는 각각 산과 염기를 나타내며, M은 몰 농도, V는 부피를 나타낸다. n은 산이나 염기의 가수 즉, 1몰로부터 생성되는 H3O+ 또는 OH-의 몰 수를 의미한다.
중화 반응이 완료되는 당량점에서는 용액의 pH가 급격하게 변화하게 된다. 따라서 중화 적정 실험에서는 이러한 pH 변화를 이용하여 당량점을 검출하게 된다. 이때 적절한 pH 지시약을 선택하여 색 변화로 중화점을 확인할 수 있다.
1.2.2. 당량점과 pH 변화
중화적정에서 당량점은 산과 염기가 완전히 중화되어 생성된 수용액의 pH가 7이 되는 지점이다. 당량점에서는 반응물의 농도가 서로 정확히 맞아떨어지므로 과량의 산이나 염기가 존재하지 않는다.
용액의 pH는 당량점 전후에서 급격히 변화하는 특징을 보인다. 당량점 전에서는 용액의 pH가 산성을 나타내고, 당량점 이후에서는 용액의 pH가 염기성을 나타낸다. 이러한 pH 변화는 넓은 범위에서 일어나지만, 당량점 근처에서 가장 급격히 변화한다.
예를 들어, 강산인 염산(HCl)을 강염기인 수산화나트륨(NaOH)으로 적정할 경우, 당량점 전에서는 용액의 pH가 낮은 산성 영역에 있다가 당량점에서 급격히 상승하여 pH 7의 중성 용액이 된다. 당량점 이후에서는 더욱 pH가 상승하여 강염기 용액이 된다. 이처럼 중화적정에서 당량점 근처의 pH 변화가 가장 크게 나타나므로, 중화적정 과정에서 지시약의 변색 범위를 고려하여 적절한 지시약을 선택하는 것이 중요하다.
1.3. 중화적정곡선
1.3.1. 강산-강염기 적정
강산-강염기 적정은 강산을 강염기로 적정하는 경우를 말한다. 이 경우 중화 반응이 빠르게 진행되어 당량점에서 pH가 급격하게 변화한다.
강산-강염기 적정에서는 pH가 약 4에서 10까지 급격하게 변화한다. 따라서 이 범위의 변색 범위를 가지는 지시약을 사용하면 중화점을 쉽게 확인할 수 있다. 대표적인 지시약으로는 메틸오렌지와 페놀프탈레인을 들 수 있다.
강산-강염기 적정에서 중화점은 용액의 pH가 7이 된다. 이는 생성된 염이 가수분해되지 않기 때문이다...
