콜라나 사이다에 녹아있는 총 탄산의 양을 구하기 위한 방법은 어떻게 되나요?

Question

콜라나 사이다에 녹아있는 총 탄산의 양을 구하기 위해, 일정량의 수산화나트륨 표준용액을 과량 넣어 탄산 이온으로 고정시킨 후 반응하지 않고 남은 염기를 산 표준용액으로 적정하여 계산하는 역적정 원리를 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

탄산음료 속 이산화탄소는 기체로 쉽게 날아가는 특성이 있어 산 표준용액으로 직접 적정하면 오차가 커집니다. 이를 해결하기 위해 수산화나트륨 표준용액을 과량으로 넣어 휘발성인 탄산을 안정한 탄산 이온 형태로 먼저 고정합니다. 이때 투입한 수산화나트륨의 총량은 음료 속 탄산을 모두 중화하고도 남을 만큼 충분한 양이어야 합니다.

​다음으로 염화바륨을 용액에 첨가하여 생성된 탄산 이온을 탄산바륨 앙금으로 침전시킵니다. 이 과정은 탄산 이온이 용액에 남아 완충 작용을 일으켜 종말점 확인을 방해하는 것을 막기 위해 필수적입니다. 침전 반응이 끝나면 용액 속에는 탄산과 반응하지 않고 남은 수산화나트륨만 자유롭게 존재하게 됩니다.

​마지막으로 이 남은 염기를 염산과 같은 산 표준용액으로 적정하여 소비된 산의 양을 측정합니다. 페놀프탈레인 지시약의 분홍색이 사라지는 지점을 종말점으로 하여 계산하면 처음에 탄산과 반응하고 남은 염기의 몰수를 정확히 알 수 있습니다. 결과적으로 처음 넣어준 전체 염기의 몰수에서 산 표준용액과 반응한 염기의 몰수를 빼면 탄산 고정에 사용된 염기의 몰수가 산출됩니다. 이산화탄소 1분자는 수산화나트륨 2분자와 반응하므로, 고정된 염기 몰수를 절반으로 나누면 음료에 녹아있던 총 탄산의 양을 정확하게 정량할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

콜라나 사이다에 녹아 있는 총 탄산을 구할 때는 역적정 방법을 사용할 수 있는데요, 원리는 먼저 탄산 성분과 충분히 반응할 만큼의 과량 수산화나트륨 표준용액을 넣고, 남은 NaOH를 산 표준용액으로 다시 적정해 탄산이 소비한 NaOH 양을 간접 계산하는 것입니다.

탄산은 염기와 반응하여 최종적으로 탄산 이온 형태로 전환되며, 실험 과정은 우선 일정 부피의 탄산음료를 취하고, 농도를 알고 있는 NaOH 표준용액을 과량 첨가합니다. 이때 음료 속 CO₂와 탄산은 모두 OH⁻와 반응하여 탄산 이온으로 고정되지만, NaOH를 일부러 많이 넣었으므로 반응 후에도 OH⁻가 남게 됩니다. 그 다음 남아 있는 OH⁻를 농도를 아는 산 표준용액인 HCl으로 적정합니다.

이후 적정에 사용된 산의 양으로부터 남아 있던 NaOH 몰수를 구할 수 있고, 이를 처음 넣은 NaOH 총 몰수에서 빼면 탄산과 반응한 NaOH 양이 계산됩니다. 즉 탄산 1몰은 OH⁻ 2몰과 반응하며 최종적으로 탄산 몰수를 시료 부피로 나누면 농도(mol/L)를 얻을 수 있고, 몰질량인 44 g/mol을 곱하면 질량 농도로도 환산 가능합니다. 이 역적정 방법의 장점은 탄산음료처럼 CO₂가 쉽게 기체로 빠져나가 직접 적정이 어려운 시료에서도, 먼저 염기로 고정시킨 뒤 남은 염기를 측정하여 간접적으로 총 탄산량을 정량할 수 있다는 점입니다. 감사합니다.