본문내용
1. EDTA로 물의 경도 측정
1.1. 물의 경도
물의 경도는 용존하고 있는 다가의 금속이온인 칼슘, 마그네슘에 의해서 일어난다. 경도 유발물질에는 Ca, Mg, Fe, Sr, Mn 등의 2가 양이온이 관여한다. 물 중의 Ca2+, Mg2+ 의 양을 이것에 대응하는 CaCO3 의 ppm 즉 mg/L 로 환산한 것이다. 이온의 당량은 Ca2+는 20, Mg2+는 12, Sr2+는 43.8이다. 따라서 물의 경도는 용존하고 있는 다가의 금속이온인 칼슘, 마그네슘에 의해 일어나며, 이를 CaCO3의 ppm으로 표시한다는 것을 알 수 있다."
1.2. 착화합물 중심 금속에 리간드가 배위결합한 상태
착화합물 중심 금속에 리간드가 배위결합한 상태는 여러 자리 리간드인 EDTA와 금속 이온이 반응하여 형성되는 착화합물 구조를 의미한다.
EDTA는 여섯 개의 배위 자리를 가지고 있어 중심 금속 이온과 배위 결합을 형성할 수 있다. EDTA는 CH2CH2(N(CH2COO-)2)2 구조를 가지며, 네 개의 카르복실기(-COO-)와 두 개의 아민기(-NH-)를 포함하고 있다. 이 리간드의 배위 원자들은 중심 금속 이온과 공유 결합을 이루어 착화합물을 형성한다.
착화합물에서 중심 금속 이온은 리간드의 배위 원자들과 결합함으로써 안정한 구조를 가지게 된다. 이때 중심 금속 이온과 리간드 사이에는 배위 결합이 형성된다. 배위 결합은 리간드가 제공하는 비공유 전자쌍이 중심 금속 이온의 빈 오비탈에 받아들여지면서 성립된다.
EDTA와 중심 금속 이온 간의 착화합물 형성은 킬레이트 효과에 기인한다. 킬레이트 효과란 두 개 이상의 리간드 원자가 금속 이온과 동시에 결합할 때 나타나는 안정화 효과를 말한다. EDTA와 같은 다중 치환체 리간드는 유사한 한 자리 리간드보다 더 안정한 착화합물을 형성할 수 있다.
따라서 착화합물 중심 금속에 리간드가 배위결합한 상태는 EDTA와 같은 다중 치환체 리간드가 중심 금속 이온과 결합하여 안정한 착화합물을 형성하는 것을 의미한다.
1.3. 킬레이트 효과
여러자리 리간드가 유사한 한자리 리간드보다 더 안정한 금속 착물을 형성하는 능력을 "킬레이트 효과"라고 한다. 두 개 이상의 리간드 원자가 금속 이온과 결합할 경우 리간드를 킬레이트 리간드라고 한다.
킬레이트 리간드는 금속 이온과 결합하여 안정한 고리 구조를 형성하게 된다. 이때 금속 이온과 리간드 사이의 결합이 강해져 금속 착물의 안정도가 증가하게 된다. 이러한 안정도 증강 효과를 킬레이트 효과라고 한다.
예를 들어 암모니아(NH3)와 같은 한자리 리간드와 에틸렌디아민(en)과 같은 두 자리 리간드가 동일한 금속 이온과 반응할 경우, en 착물이 더 안정하다. 이는 en이 두 개의 질소 원자로 금속 이온과 결합하여 안정한 고리 구조를 형성할 수 있기 때문이다.
따라서 킬레이트 효과는 리간드가 금속 이온과 결합하여 안정한 고리 구조를 형성하는 능력으로, 이를 통해 금속 착물의 안정도가 증가하게 되는 현상을 의미한다.
1.4. 킬레이트 적정법
킬레이트 적정법이란, 금속 이온이 킬레이트 시약과 반응하여 안정한 킬레이트 화합물을 생성한다는 원리를 이용하여 금속이온과 킬레이트 표준용액을 반응시켜 금속이온을 정량하는 방법이다. 이 때 완충용액과 금속 지시약 등을 사용한다.
킬레이트 적정법은 금속 이온과 킬레이트제가 1:1의 화학양론적 반응을 하여 안정한 킬레이트 착화합물을 형성하는 것을 이용한다. 킬레이트제 중에서도 EDTA가 가장 대표적으로 사용되는데, 대부분의 금속 이온과 1:1 착물을 형성하기 때문이다. 따라서 EDTA를 이용한 킬레이트 적정법은 정량분석에 널리 쓰인다. EDTA 적정 시 잔여 금속을 거의 남기지 않는다는 장점이 있다.
킬레이트 적정법에서는 용액의 pH를 적절히 조절하는 것이 중요하다. EDTA를 여러자리 리간드(Y4-)로 만들기 위해서는 pH를 10으로 맞추어야 하며, 이때 pH 변화를 안정화하기 위해 완충용액을 첨가한다. 낮은 pH에서는 EDTA가 H+와 금속이온과 결합하여 불안정해지고, 높은 pH에서도 EDTA가 OH-와 결합하여 불안정해진다.
킬레이트 적정에서는 금속 지시약이 사용되는데, 대표적인 것이 EBT(Eriochrome Black T)이다. EBT는 금속 이온과 결합하면 붉은색~적자색을 띠지만, EDTA와 결합하면 푸른색으로 변하여 적정의 종말점 검출에 사용될 수 있다. EDTA 적정 시 EBT는 EDTA보다 약하게 금속과 결합하므로, EDTA 첨가에 따라 EBT가 금속으로부터 떨어져나와 푸른색을 나타내게 된다.
이처럼 킬레이트 적정법은 금속 이온과 킬레이트제의 안정한 착물 형성 반응을 이용하여 금속 이온의 농도를 정량적으로 측정하는 방법이다. 완충용액과 금속 지시약의 선택이 중요하며, EDTA가 가장 널리 사용되는 킬레이트제이다.
1.5. EDTA
E...
