[물리화학] pH미터를 이용한 전위차 적정법

 

 

1. 실험 제목 : pH미터를 이용한 전위차 적정 법

 

2. 실험 목적

① 강염기와 강산 및 약산의 적정 곡선에 대한 자세한 성질을 연구할 수 있다.

② 적정 곡선을 실험을 통해 구하고, 그것을 이용하여 약산 이온화 상수를 얻을 수 있다.

③ pH미터의 사용법을 완전히 익힐 수 있다.

 

3. 실험 원리

· 약산을 강염기로 적정할 때는 적정하는 과정에서 약산의 염이 만들어진다.

-> 이것은 염기가 첨가되기 전을 제외하고는 그 용액 안에서 염과 이온화되지 않은 산의 비가 계속하여 변하기 때문이다.

· 이 용액들이 소위 완충 용액으로 불리며 적정의 초기 상태와 당량점 아주 근방을 제외하고는 적정하는 동안에 pH 가 서서히 느리게 변한다.

 

HA : 약산, MA : 약산의 염, Ca : 전체 야산의 농도, Cs : 전체 염의 농도

a. 평형식 : Ka = [H+][A-]/[HA]

Kw = [H+][OH-]

b. 전기적 중성에 대한 식 : [H+] + [M+] = [H+] + Cs = [A+] + [OH-]

c. 질량 보존의 식 : Ca + Cs = [HA] + [A-]

 

위의 네식을 연립하여 [HA]와 [OH-][A-]를 소거하면 다음 식이 된다.

 

[H+] + Cs = (Cs+Ca)/{(1+[H+])/Ka} + Kw/[H+]

 

여기서 CS >> [H+] 및 Kw/[H+] 이면,

 

Ka = [H+] Cs/Ca라는 식이 나온다. Cs = Ca인 경우에 Ka=[H+]

즉, pKa = pH이다. Ca = Cs 인 지점은 당량점에서 부피의 절반이다.

 

 

1) HCl-NaOH 사이의 당량점에서의 이론적 pH

: 농도가 같을 때, 동일한 부피의 강산과 강염기를 반응시키면 중성이 나온다. HCl의 H3O+와 NaOH의 OH-양이 같은 상태이기 때문에 물과 염만 남는다. 따라서 당량점에서의 pH는 7과 같다.

2) CH3 COOH-NaOH 사이의 당량점에서의 이론적 pH

: 당량점에서 가한 OH-의 몰수와 원래 있던 CH3 COOH의 몰수가 같기 때문에 남아있는 CH3 COOH가 모두 CH3 COO-로 전환됩니다.

CH3 COO-가 염기이므로 이때의 부피를 계산하면 pH가 나온다. 따라서 당량점에서의 pH는 8.28이다.

 

4. 실험 기구 및 시약

1) 기구 및 장비

pH미터, 비커, 부피 플라스크, 뷰렛, 스탠드

2) 시약

① 수산화나트륨 [NaOH]

몰 질량 : 40g/mol 끓는점 : 1390℃ 녹는점 : 318℃ 밀도 :2.13g/ml

② 염산

몰 질량 : 35.6g/mol 끓는점 : 110℃ 녹는점 : -30℃ 밀도 : 1.18g/ml

③ 인산 [H3PO4]

몰질량 : 98g/mol 끓는점 : 158℃ 녹는점 : 42℃ 밀도 : 1.88g/ml

④ 식초산 [CH3 COOH]

몰 질량 : 60 끓는점 : 140℃ 녹는점 : -73℃ 밀도 : 1.05g/ml

⑤ 표준 화용 완충용액

 

5. 실험방법

* pH미터의 준비

1) pH미터를 켜고 준비과정으로 10분간 방치시켜 안정화를 시킨다.

2) 증류수로 전극을 잘 씻고 조심스럽게 휴지로 닦는다.

3) pH미터를 완충 용액으로 표준화시킨다. 필요하다면 특수기기의 pH미터 부분이나 제작회사의 지침서를 다시 한번 잘 읽어준다.

4) 다시 증류수로 전극을 씻고 조심스럽게 휴지로 닦아준다.

 

* HCl 용액 적정

1) 0.100N NaOH 표준 염기 용액을 뷰렛에 채운다.

2) 약 0.1N HCl용액 25ml를 피펫으로 600ml 비커에 넣는다.

3) 메스실린더로 증류수 175ml를 재어 넣는다.

4) pH가 4.5가 될 때까지 1ml씩 염기를 넣어주면서 pH를 읽는다.

5) pH가 4.5가 되면 pH가 10이 될 때 까지 0.2ml씩 염기를 넣어주면서 pH를 읽는다.

6) pH가 10이 되면 염기를 1ml씩 3번 적정한 뒤 pH를 읽고 적정을 끝낸다.

 

* 식초산 용액 적정

1) 0.1N 식초산을 깨끗한 600ml 비커에 피펫으로 25ml를 넣고 증류수 175ml를 가한다.

2) pH가 6이 될때 까지 염기를 1ml씩 가해주고 pH를 측정한다.

3) pH가 6에 도달하면 pH가 10이 될때 가지 0.2ml씩 염기를 넣어주면서 pH를 측정한다.

4) pH가 10에 도달하면 염기를 1ml씩 3번 더 넣고 pH를 읽은 후 적정을 끝낸다.

 

* 인산 용액 적정

1) 깨끗한 600ml 비커에 피펫으로 약 0.05M 인산 25ml와 증류수 175ml를 가한다.

2) pH가 3.5가 될 때까지 염기를 1ml씩 가하고 pH를 측정한다.

3) pH가 3.5가 되면 pH가 6이 될 때까지 염기를 0.2ml씩 가하여 pH를 측정한다.

4) pH가 6이 되면 pH가 8이 될 때까지 염기를 1ml씩 가하며 pH를 측정한다.

5) pH가 8이 되면 pH가 10.5가 될 때까지 염기를 0.2ml씩 가하며 pH를 측정한다.

6) pH가 10.5가 되면 염기를 1ml씩 3번 넣고 적정을 끝낸다.