Ⅰ. 실험 목적물의 이온곱 상수K _{w}를 통하여 용액의 pH 이론값을 구하고, 지시약과 pH 미터기를 이용하여 pH를 측정하며 pH의 원리를 이해하고 측정 방법을 익힌다.Ⅱ. 실험 이론1. 산/염기① 산산은 일반적으로 물에 녹았을 때 산성을 나타내는 물질이다. 보통 신맛을 띠며 리트머스의 색을 청색에서 적색으로 변화시킨다. 산은 여러 가지 모형으로 정의하는데 아레니우스산, 브뢴스테드-로우리 산, 루이스 산이 대표적이다. 아레니우스 산은 물에 녹였을 때 수소 이온H ^{+}를 내놓는 물질을 산이라고 정의한 것이다. 하지만 이 정의는 수용액에서만 적용이 가능하며 비수용액과 기체 상태에서의 산/염기 반응을 설명하기에는 부족하다. 따라서 브뢴스테드-로우리 산은 아레니우스 산보다 더 넓은 정의로 수소 이온을 내놓을 수 있는 물질을 말하며 이때 산을 양성자 주개라고 정의했다. 루이스의 산은 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의한다. 예를 들어BF _{3}가F ^{-}와 반응하여BF _{4}^{`-}를 생성할 때,BF _{3}는 전자쌍을 받으므로 산으로 작용하고F ^{-}는 전자쌍을 줘서 염기로 작용한다. 산은 강산과 약산으로 나뉠 수 있는데 강산과 약산의 구분은 산의 농도가 아니라 산 분자의 해리되는 정도로 결정된다. 즉, 강산은 용매에 녹아있는 모든 산 분자들이 수소이온인 양이온과 나머지 음이온들로 완전히 분리되는 산을 말한다. 약산은 일부 산만 해리하고 나머지는 분자의 형태로 남아있는 산을 말한다.② 염기염기는 일반적으로 물에 녹았을 때 염기성을 나타내는 물질이다. 대부분 쓴맛을 내며 리트머스 종이를 적색에서 청색으로 변화시킨다. 염기성을 띠는 물질은 미끈미끈하며, 수용액 상태에서는 전류가 잘 통한다. 염기는 여러 가지 모형으로 정의하는데 산과 마찬가지로 아레니우스 정의, 브뢴스테드-로우리의 정의, 루이스의 정의가 대표적이다. 아레니우스 정의에 따르면 수용액 상태에서 해리하여 수산화 이온을 내놓는 물질을 염기라고 하는데 이는 모든 산-염기 반응을 설명하기에는 된다. 이때의K _{w}는 다음과 같다.K _{W} `=`[H _{3} O ^{+} ][OH ^{-} ]`=`(1.0` TIMES 10 ^{-7} )(1.0` TIMES 10 ^{-7`} )`K _{W} `=`1.0` TIMES `10 ^{-14} [mol/L]3. 수소 이온 농도① 강산의 수소 이온 농도물은 자동이온화에 의하여H _{2} O``+`H _{2} O````` LRARROW ```H _{3} O ^{+} `+`OH ^{-}로 이온화되고 물에 0.10M HCl을 녹여 1L 용액을 만들었을 때,HCl+H _{2} O`` LRARROW `H _{3}^{+} O+Cl ^{-}에 의하여 수소 이온 농도가 변화되므로`[H _{3} O ^{+} ]`의 농도는 HCl과 자동 이온화의 합일 것이다. 그러나 르샤틀리에의 평형 이동의 원리에 의해 Cl에서 생긴H _{3} O ^{+}가 존재할 때 물의 자동 이온화는 역반응이 일어나 자동이온화에서 생긴H _{3} O ^{+} 와`OH ^{-}는 무시할 수 있다.H _{3} O ^{+}의 농도는 0.1M HCl에서 완전히 전리한다고 생각하여 0.10M이 된다. 물의 이온곱 상수 식에 의해 같은 용액에서OH ^{-}의 농도를 구할 수 있다.[OH ^{-} ]`=` {K _{W}} over {[H _{3} O ^{+} ]} `=` {1.0` TIMES `10 ^{-14}} over {0.10} `=`1.0` TIMES `10 ^{-13} [ml/L]② 강염기의 수소 이온 농도강염기 용액에서도 강산에서 수소 이온의 농도를 구할 때와 같은 논리로 생각한다. 예를 들어,0.1`M```NaOH 용액에서 물의 자동 이온화에 의해 생긴OH ^{-}농도가 매우 작으므로 무시하고, NaOH가 완전히 전리한다고 생각하여OH ^{-}의 농도는 0.10M이다. 또한 물의 이온곱 상수 식에 의해H _{3} O ^{+}의 농도를 구할 수 있다.[H _{3} O ^{+} ]`=` {K _{W}} over {[OH ^{-} ]} `=` {1.0` T의 변화를 관찰한다.-메틸오렌지메틸 오렌지는 산-염기 적정에 많이 사용되는 지시약 일종으로 주황색의 고운 분말 또는 결정 형태를 가진다. 색깔 변화는 붉은색에서 노란색까지 나타나는데 수소 이온 농도 지수(pH)가 3.1 이하에서는 붉은색을 지니고, pH가 4.4 이상에서는 노란색을 지니며, 그 사이에서는 주황색을 지니게 된다. 따라서 pH 3.2 ~ 4.4 사이의 용액에 많이 사용된다.-트레페올린OO트레페올린OO는 등황색의 분말로 에탄올 또는 물에 잘 녹는다. 색깔 변화는 적색에서 황색까지 나타내는데 염오차가 적고 양호한 지시약이다. 수소 이온 농도 지수가 pH 1.4 이하에서 적색, pH 2.6이상에서 황색을 띤다.-알리자린옐로우 R알리자린옐로우 R은 황갈색 분말로 물과 에탄올에 녹는다. 색깔 변화는 황색에서 담자색까지 나타난다. 수소 이온 농도 지수가 pH 10.2 이하에서 황색, pH 12.0 이상에서 황색을 띤다.-인디고카민인디고 카민은 염기성을 나타내는 지시약으로 쪽빛을 내며 물에 용해되면 보라색을 띤 청색이 된다. 색깔 변화는 청색에서 황색으로 나타난다. 변색 범위는 pH 11.4~13.0에서 청색에서 황색으로 색깔 변화를 일으키기 때문에 주로 염기성에서 사용하는 지시약으로 알려져 있다.③ pH meterpH 미터는 용액의 수소 이온 농도를 전기적 방법으로 정확히 측정하기 위한 기기로 pH 전역에 걸쳐 측정 가능하며, 산화성 및 환원성 물질, 비수용액, 착색된 용액의 pH도 측정할 수 있다. pH 측정 기준은 수소 전극이지만 사용하기 불편하므로 포화 칼로멜 전극이 쓰인다. 기준 전극을 피검액 속에 담그면 전극에서의 기전력과 이미 알고 있는 기전력을 갖는 비교전극 사이의 전위차를 측정할 수 있고, 이를 통해 pH를 결정한다.표준 수소 전극의 기전력은 Nerst 방정식으로부터 계산하면 E=0.0591 × 이다. 그러므로 다음과 같이 된다.pH=log {1} over {[H _{3}^{+} O]} = {E} over {0.0591}실제로 수소 전극 대신에C3. 용해도109 g/100㎖(20℃ (1), 알코올, 글리세롤에 가용 (2))※출처 : ICSC, HSDB4. 분자량40※출처 : SIDSⅣ. 실험 과정① 실험에 쓰일 지시약과 0.1M, 0.01M, 0.001M, 0.0001M HCl/NaOH 5mL를 시험관에 넣어 준비한다.② 준비된 시험관에 지시약을 각각 1방울 정도 떨어뜨리고, 색을 관찰한다.③ pH 미터기와 검체들을 준비하고 pH를 측정한다.④ 실험이 끝난 HCl은 산 폐액에, NaOH는 염기 폐액에 처리한다.⑤ 실험이 끝난 후에는 기기들을 깨끗이 씻어 원래 자리에 되돌려 놓는다.Ⅴ. 실험 결과1) 실험에서의 지시약 색깔을 사진 찍고, 적으시오.-메틸오렌지농도지시약10 ^{-1}10 ^{-2}10 ^{-3}10 ^{-4}캡처사진색깔붉은색붉은색붉은색주황색-트레페올린 O.O농도지시약10 ^{-1}10 ^{-2}10 ^{-3}10 ^{-4}캡처사진색깔자주색붉은색주황색노란색-알리자린옐로우R농도지시약10 ^{-1}10 ^{-2}10 ^{-3}10 ^{-4}캡처사진색깔붉은색붉은색주황노란색-인디고카민농도지시약10 ^{-1}10 ^{-2}10 ^{-3}10 ^{-4}캡처사진색깔초록색파란색파란색파란색2) HCl 용액의 농도를 통한 수소 이온 농도와 pH계산HCl이온 농도수소 이온 농도pH10 ^{-1}1.0` TIMES 10 ^{-1}110 ^{-2}1.0` TIMES 10 ^{-2}210 ^{-3}1.0` TIMES 10 ^{-3}310 ^{-4}1.0` TIMES 10 ^{-4}4① HCl의 농도가10 ^{-1}M이므로 수소 이온의 농도 또한1.0` TIMES 10 ^{-1}M이다.pH`=-log[H _{3} O ^{+} ]=`1② HCl의 농도가10 ^{-2}M이므로 수소 이온의 농도 또한1.0` TIMES 10 ^{-2}M이다.pH`=`-log[H _{3} O ^{+} ]`=2③ HCl의 농도가10 ^{-3}M이므로 수소 이온의 농도 또한1.0` TIMES 10 ^{-3}M이다.pH`=-log[H _{3} 0} `=`1.0` TIMES `10 ^{-10} MpH`=-log[H _{3} O ^{+} ]=`104) pH 미터기로 측정한 pH 값을 적으시오.10 ^{-1}10 ^{-2}10 ^{-3}10 ^{-4}HCl1.772.733.935.47NaOH12.5412.0011.1710.065)오차율오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)5-1) HCl의 pH 오차율①오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)`=`` {LEFT | 1-1.77 RIGHT |} over {1} ` TIMES 100(%)`=`77%②오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)`=`` {LEFT | 2-2.73 RIGHT |} over {2} ` TIMES 100(%)`=`37%③오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)`=`` {LEFT | 3-3.93 RIGHT |} over {3} ` TIMES 100(%)`=`31%④오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)`=`` {LEFT | 4-5.47 RIGHT |} over {4} ` TIMES 100(%)`=`37%5-2) NaOH의 pH 오차율①오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)`=`` {LEFT | 13-12.54 RIGHT |} over {13} ` TIMES 100(%)`=`3.5%②오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` TIMES 100(%)=`` {LEFT | 12-12.00 RIGHT |} over {12} ` TIMES 100(%)`=`0%③오차율`=` {LEFT | 이론값-실험값 RIGHT |} over {이론값} ` 수
