완충용액

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"완충용액"에 대한 내용입니다.

목차

1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
1.2. 실험 원리
1.2.1. 완충 용액
1.2.2. Brønsted-Lowry의 산-염기 이론
1.2.3. 완충 용액의 pH
1.2.4. 완충 작용
1.2.5. CO32- 용액의 산-염기 적정

2. 실험 재료 및 기구
2.1. 시약
2.2. 기구 및 초자

3. 실험 방법
3.1. pH meter 보정
3.2. 적정 장치 설치
3.3. 적정 실험

4. 실험 결과
4.1. 적정 곡선
4.2. 완충 효과가 큰 pH 구간
4.3. 당량점 부근의 pH 변화

5. 데이터 분석
5.1. 완충 효과가 큰 pH 구간의 특성
5.2. 제1 및 제2 당량점의 HCl 첨가량 비교

6. 결론

7. 참고 문헌

본문내용

1. 실험 개요
1.1. 실험 목적

실험 목적은 CO32- 수용액을 HCl로 적정하면서 적정 곡선을 그리고, 이를 통해 완충 효과가 잘 일어나는 조건과 당량점 근처에서의 pH 변화를 파악하여 완충 용액에 대해 이해하는 것이다.""


1.2. 실험 원리
1.2.1. 완충 용액

완충 용액은 산이나 염기를 첨가하여도 수소 이온의 농도 변화가 적게 일어나는 용액을 말한다. 수소 이온의 농도 변화가 적게 일어난다는 것은 pH의 변화가 적게 일어난다는 뜻이고 이러한 작용을 완충작용이라고 한다. 완충용액은 주로 약산과 그 약산의 짝염기, 혹은 약염기와 그 약염기의 짝산의 혼합물로 구성되어 있다. 완충작용은 르샤틀리에의 원리로 이해할 수 있다. 산-염기 반응은 늘 동시에 진행되기 때문에 산이 있다면 그의 짝 염기가 당연하게 존재한다. 약산과 짝염기의 용액에서 산성용액을 첨가한다면, 생성물이 증가하므로 역반응이 우세해지게 된다. 그로인해 수소 이온의 농도는 감소한다. 위의 과정을 통해 pH가 감소하려는 걸 막게 된다. 반대로, 염기성 용액을 첨가할 경우, 정반응이 우세하게 진행되어 수소이온의 농도가 증가하게 된다. 이 또한 pH의 증가를 억제하게 된다. 이와 같은 방법으로 완충용액의 pH가 크게 차이 나지 않게 된다. 하지만 지나친 양의 산과 염기를 첨가할 경우, 완충용액의 물질 농도는 추가로 넣어준 산과 염기에 비해 양이 너무 적기 때문에 더 이상 완충작용을 진행하지 못하게 된다. 이를 완충용량 초과라고 한다. 이 때문에 많은 양의 산과 염기를 완충시키기 위해서는, 약산과 짝염기를 같은 양이 되도록 넣어주어야 완충 용량을 키울 수 있다.


1.2.2. Brønsted-Lowry의 산-염기 이론

Brønsted-Lowry의 산-염기 이론은 산과 염기를 "양성자(H+) 주개"와 "양성자 받개"로 정의하고 있다. 즉, 산(HA)은 H+를 내어놓아 생성된 화학종(A-)이 H+를 받을 수 있기 때문에 염기로 정의되며, 이때 A-는 HA의 "짝염기(conjugate base)"라고 한다. 반대로, 염기(B)가 H+를 받아 생성된 화학종(BH+)은 H+를 내어놓을 수 있기 때문에 산으로 정의될 수 있으며, BH+는 B의 "짝산(conjugate acid)"이라고 정의된다. 예를 들어 아세트산(CH3COOH)이 H+를 내어놓으면 생성되는 CH3COO-는 아세트산의 짝염기이며, CH3COO-가 H+를 받아 생성된 아세트산은 CH3COO-의 짝산이다.

이처럼 산이 있다면 반드시 짝염기가 존재하고, 염기가 있다면 반드시 짝산이 존재하게 된다. 또한 산과 짝염기, 염기와 짝산은 각각 강산·약염기, 강염기·약산과 같은 특성을 나타내게 된다. 강산은 물에 녹였을 때 거의 완전히 이온화되어 수소이온을 많이 내놓는 물질이며, 강염기는 수산화 이온을 내놓는 능력이 뛰어난 물질이다. 반면 약산과 약염기는 이온화 정도가 훨씬 낮아 각각 10% 미만으로 양성자를 내놓거나 받는다.

중요한 특징은 수용액에서 약산의 짝염기는 약염기이고, 약염기의 짝산도 약산이라는 점이다. 반대로 강산의 짝염기는 강염기, 강염기의 짝산은 강산이 된다. 따라서 강산에 약염기를 넣어주면 약염기의 짝산인 약산이 생성되므로 역반응이 거의 일어나지 않는다.


1.2.3. 완충 용액의 pH

완충 용액은 약산과 그 짝염기, 또는 약염기와 그 짝산을 혼합하여 만든다. 예를 들어 아세트산(CH3COOH)과 아세트산 나트륨(CH3COONa)을 물에 녹이면, CH3COONa가 이온화되어 CH3COO-와 Na+로 해리되므로 용액에는 CH3COOH와 그 짝염기인 CH3COO-가 함께 존재하게 된다. 이때 CH3COOH는 약산이므로 다음과 같은 평형이 성립한다.

CH3COOH (aq) ⇌ CH3COO- (aq) + H+ (aq)

이 평형의 평형 상수를 CH3COOH의 산 해리 상수(Ka)라고 하며, pH = -log[H+] = -log(Ka × [CH3COOH] / [CH3COO-])로 나타낼 수 있다.

완충 용액의 pH는 산의 pKa 값과 평형에서 산과 염기의 농도비에 의해 결정된다. 예를 들어 CH3COOH와 CH3COO-의 초기 농도를 각각 [CH3COOH]0와 [CH3COO-]0라고 하고, CH3COOH가 x M만큼 해리되었다고 하면, 평형에서의 농도는 [CH3COOH] = [CH3COOH]0 - x, [CH3COO-] = [CH3COO-]0 + x가 된다. 그러나 CH3COOH는 약산이므로 x 값이 작기 때문에 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.

pH = pKa + log([CH3COO-] / [CH3COOH])

이 식을 Henderson-Hasselbalch 식이라고 하며, 완충 용액의 pH를 손쉽게 계산할 수 있다. 즉, 완충 용액의 pH는 산의 pKa 값과 평형에서의 산 농도와 염기 농도의 비에 의해 결정된다.

따라서 완충 용액의 pH는 적절한 약산과 그 짝염기, 또는 약염기와 그 짝산을 선택하여 혼합함으로써 조절할 수 있다. 이때 완충 용액의 완충 작용을 효과적으로 발휘하기 위해서는 약산과 짝염기의 농도가 충분히 커야 한다.


1.2.4. 완충 작용

완충 작용이란 산이나 염기를 첨가하여도 수소 이온의 농도 변화가 적게 일어나는 작용을 말한다. 이는 약산과 그 짝염기 또는 약염기와 그 짝산이 섞여 있는 완충 용액에서 나타나는 현상이다.

완충 작용은 르샤틀리에의 원리로 이해할 수 있다. 산-염기 반응은 항상 동시에 진행되므로, 산이 있다면 그 산의 짝염기가 존재하게 된다. 약산과 짝염기의 용액에 산성 용액을 첨가하면, 생성물(H+와 A-)이 증가하여 역반응이 우세해지므로 수소 이온의 농도가 감소한다. 반대로 염기성 용액을 첨가하면 정반응이 우세해져서 수소 이온의 농도가 증가하게 된다. 이렇게 수소 이온의 농도가 증가하거나 감소하려는 것을 막아 pH 변화를 억제하는 것이 완충 작용이다.

완충 용액에 산과 염기를 지나치게 많이 첨가하면 완충 작용이 한계에 달하게 된다. 이를 완충 용량 초과라고 한다. 완충 용액의 완충 용량을 크게 하기 위해서는 약산과 짝염기의 농도를 높게 유지하는 것이 중요하다. 또한 산과 염기의 농도비가 1에 가까울수록 완충 용량이 커진다.

따라서 완충 작용은 pH 변화에 저항하는 작용으로, 산-염기 평형을 유지하여 pH의 급격한 변화를 막아주는 역할을 한다.


1.2.5. CO32- 용액의 산-염기 적정

Na2CO3를 물에 녹이면 Na+이온과 CO32-이온으로 해리된다. 이때 탄산 이온(CO32-)은 약산인 HCO3-의 짝염기이므로 용액은 염기성을 띤다. 이 용액을 강산인 HCl로 적정하면 강산과 약염기의 반응이 일어나게 된다....


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