중화 적정 실험에서 표준 용액을 이용해 미지 농도를 구하는 계산법이 궁금해요

Question

농도를 정확히 알고 있는 산이나 염기 표준 용액을 사용하여 미지 농도의 산 또는 염기 용액을 중화시킬 때 소비된 부피를 측정하고 당량식(NV=N'V')을 적용하여 농도를 알아내는 과정이 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 냉철한라마35님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 중화 적정은 산이 내놓는 수소 이온과 염기가 내놓는 수산화 이온의 몰수가 정확히 1 대 1로 결합해 물을 만든다는 중화 반응의 양적 관계를 바탕으로 표준 용액의 농도와 소비된 부피를 측정하여 미지 용액의 농도를 수학적으로 역산하는 정량 분석법이랍니다.

■ 중화 반응의 양적 관계와 당량 공식의 성립 원리

중화 적정 계산에서 가장 핵심이 되는 원리는 산의 몰수와 염기의 몰수가 같은 것이 아니라, 반응에 참여하는 수소 이온의 총 몰수와 수산화 이온의 총 몰수가 같아야 한다는 점입니다. 이를 수식으로 표현하기 위해 물질이 내놓을 수 있는 이온의 수를 뜻하는 가수를 고려해야 하는데요. 염산이나 수산화나트륨처럼 분자 하나당 수소 이온이나 수산화 이온을 1개 내놓는 물질은 1가 산과 염기이지만, 황산이나 수산화칼슘처럼 2개씩 내놓는 물질은 2가에 해당합니다. 따라서 산의 가수와 몰농도, 부피를 곱한 값은 염기의 가수와 몰농도, 부피를 곱한 값과 정확히 같아집니다. 이때 가수와 몰농도의 곱을 하나의 단위로 묶어 표현한 것이 노르말 농도이며, 이를 통해 산의 노르말 농도와 부피의 곱이 염기의 노르말 농도와 부피의 곱과 같다는 당량 공식이 성립하게 됩니다.

■ 실험 절차와 종말점을 통한 미지 농도 계산 과정

실제 실험에서는 피펫을 이용해 농도를 모르는 미지 용액을 삼각플라스크에 정확한 부피만큼 취한 뒤, 액성에 따라 색이 변하는 지시약을 소량 떨어뜨립니다. 이어서 농도를 정확히 알고 있는 표준 용액을 눈금 뷰렛에 채우고, 플라스크를 흔들며 표준 용액을 한 방울씩 천천히 떨어뜨리는데요. 용액 전체의 색이 순간적으로 변하여 수초 이상 유지되는 지점을 종말점으로 포착하고, 이때 뷰렛에서 빠져나간 표준 용액의 소비 부피를 눈금으로 정밀하게 측정합니다. 실험으로 얻은 표준 용액의 부피, 이미 알고 있는 표준 용액의 농도와 가수를 공식 한쪽에 대입하고, 다른 한쪽에 미지 용액의 초기 부피와 가수를 대입하면 하나의 미지수만 남는 1차 방정식이 완성됩니다. 결국 이 간단한 비례 방정식을 풀어냄으로써 눈에 보이지 않던 미지 용액의 정확한 몰농도를 손쉽게 계산해 낼 수 있는 것이지요.

정리하자면,

중화 적정은 수소 이온과 수산화 이온이 1 대 1로 반응하는 중화점의 원리를 활용해 표준 용액의 소비 부피를 측정하고, 산과 염기의 가수를 곱해 몰수를 맞추는 당량 공식을 적용하여 미지 용액의 농도를 오차 없이 찾아내는 실무적인 화학양론 분석법인 것이지요.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉