[화학및 실험2] 7주차 결과보고서, 완충용액의 효과와 용량 확인

[실험 제목]

ph 확인

완충용액의 효과와 용량 확인

 

[실험 목적]

완충 용액의 pH 변화를 통해 완충작용과 완충용량에 대해서 알아본다.

 

[실험 이론]

다음 실험 이론을 조사하시오.

1. 완충 용량에 대해 설명하시오.

완충 용량은 뚜렷한 pH 변화 없이 완충 용액이 수용할 수 있는 산이나 염기의 양을 일컫는다.

증류수에 소량의 강한 산이나 강한 염기를 넣으면 pH는 크게 변한다. 예를 들면 1L의 증류수에 염산 0.01몰(진한 염산 약 1mL 정도)을 넣으면 pH는 7에서 2로 크게 변한다. 수산화나트륨의 경우에도 증류수 1L에 이 물질을 0.01몰(0.4g)만 넣어도 pH가 7에서 12로 크게 변한다. 이러한 산성 용액이나 염기성 용액과는 달리 소량의 강한 산이나 강한 염기를 넣더라도 pH의 변화가 거의 없는 용액이 있는데 이 용액을 완충 용액이라고 한다.

완충 용액은 약한 산과 그 산의 염을 혼합하거나, 약한 염기에 그 염기의 염을 혼합해 만든 용액이다. 이 용액은 소량의 강한 산이나 염기를 넣어도 pH의 변화가 거의 없다. 예를 들면 0.5몰의 아세트산과 0.5몰의 아세트산 나트륨을 섞어 1L로 만든 완충 용액에 염산 0.01몰을 넣을 때는 pH가 4.74에서 4.72로, 수산화나트륨 0.01몰을 넣을 때는 pH가 4.74에서 4.76으로 변해 그 변화는 앞의 경우와는 비교할 수 없을 정도로 적다.

여기서 뚜렷한 pH의 변화를 일으키지 않는 범위 안에서 완충 용액이 수용할 수 있는 산이나 염기의 양을 완충 용량이라고 한다. 그런데 이 표현에서 다소 비과학적인 단어가 포함되어 있는데 ‘뚜렷한 pH의 변화’라는 표현이 바로 그것이다. 이에 대해 합의된 기준은 없지만 대체로 pH 1의 변화로 생각하면 된다.

완충 용량은 완충 용액을 만든 산이나 그 염의 농도에 따라 다른데 0.15몰의 락트산과 0.2몰의 락트산 나트륨을 물에 넣어 1L로 만든 완충 용액의 경우 완충 용량은 강한 산에 대해 0.168몰 정도가 된다.

출처 : [네이버 지식백과] 완충용량 [buffer capacity] (두산백과 두피디아, 두산백과)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5662971&cid=62802&categoryId=62802

완충 용액

 

[실험 이론]

2. Henderson-Hasselbalch 식에 대해 설명하시오.

핸더슨-하셀바흐 방정식( - 方程式, 영어: Henderson–Hasselbalch equation)[1][2]은 로렌스 조셉 헨더슨이 1908년 만든 공식으로, 완충 용액으로의 산을 묘사하기 위한 것이다. 카를 알버트 하셀바흐가 대수적으로 공식화함으로써 헨더슨-하셀바흐 방정식을 완성했다. 하셀바흐는 혈액 내 탄산 농도를 측정하는 데에 이 공식을 사용하였다.

헨더슨-하셀바흐 방정식은 다음과 같다.
pH = pKa + log( [짝염기] / [짝산] )
단, 여기서 pH = -log[H+] , pKa = -logKa, Ka = 산 해리 상수,
[짝염기] / [짝산] = 평형 상태에서 산과 그 짝염기의 비이다.
HA <-> A- + H+
가령, 산이 아세트산인 경우 식은 다음과 같다.
CH3COOH <-> CH3CO2- + H+
식을 염기에 대해서도 적용할 수 있는데, 이때는 염기의 양성자화된 형태를 산으로 보고 식을 작성한다. 예를 들어 염기가 아민(RNH2인 경우 식은 다음과 같다.
RNH3+ <-> RNH2 + H+

유도
산(HA)의 해리식을 HA -> H+ + A- 이라 할 때, 평형상수(Ka)는 Ka = [A-][H+]/[HA] => [H+] = Ka * ([HA]/[A-]) 양변에 -log를 취하면 -log[H+] = -log Ka - log([HA]/[A-])이다. 그러므로 pH = pKa + log([A-]/[HA]) . 이는 pH = pKa + log([염기성형]/[산성형])로도 표현할 수 있다.

출처: 위키백과 검색어 <핸더슨-하셀바흐 방정식>

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%97%A8%EB%8D%94%EC%8A%A8-%ED%95%98%EC%85%80%EB%B0%94%ED%9D%90_%EB%B0%A9%EC%A0%95%EC%8B%9D

헨더슨-하셀바흐 방정식 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

3. [기구와 시약] 위 시약들의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 조사하시오. (화학식량, 녹는점, 끓는점 포함)

기구
부피플라스크(100 mL), 비커, 유리막대, 핀셋, 메스실린더, pH paper

 

시약
CH3COOH
CH3COONa
NaOH
HCl

3-1 시약: CH3COOH (아세트산)

화학식: C2H4O2
녹는 점: 16.6°C
끓는 점: 118.1°C
CAS 번호: 64-19-7
특성: 묽은 냄새가 나는 무색의 액체로, 강한 산성을 가지고 있습니다. 물과 잘 혼합하며, 주로 식품 조리 및 화학 실험에서 사용됩니다. 피부와 눈에 대한 부식성이 있으므로 조심해야 합니다.
유해위험문구:
인화성 액체 및 증기
금속을 부식시킬 수 있음 피부와 접촉하면 유해함
피부에 심한 화상과 눈에 손상을 일으킴 눈에 심한 손상을 일으킴
장기(영향을 받는 것으로 알려진 모든 장기를 명시한다.)에 손상을 일으킴(특정표적장기독성(1회노출)을 일으키는 노출 경로를 기재.
단, 다른 노출경로에 의해 특정표적장기독성(1회노출)을 일으키지 않는다는 결정적인 증거가 있는 경우에 한한다.)

3-2 시약: CH3COONa (소듐 아세테이트)

화학식: C2H3NaO2
녹는 점: 324°C
끓는 점: 881.4 ℃
CAS 번호: 127-09-3
주요용도: 아세트화에서 보조제; 의약품 제조; 비누; 글루코스의 정제; 육류 보존; 전기도금; 제혁; 탈수제; 완충액; 직물 염색; 약물, 약물(수의용); 신남산 및 관련 화합물의 합성;폴리에스테르 수지의 제조에서 촉매
특성: 무색 결정 물질로, 고체 상태에서 주로 존재합니다. 중립적인 pH를 가지며, 식품 조리 및 화학 실험에서 pH 조절 및 기타 용도로 사용됩니다. 피부 및 눈에 대한 위험이 낮습니다.

3-3.시약: NaOH (소듐 하이드록사이드 또는 카옥스트 콜라)

화학식: NaOH
녹는 점: 318°C
끓는 점: 1,388°C
CAS 번호: 1310-73-2
특성: 고체로 흰색 결정이며, 고체 상태에서 주로 존재합니다. 강력한 염기성을 가지고 있어 다양한 화학 반응 및 중화 작업에 사용됩니다. 피부와 눈에 접촉하면 심각한 화상을 일으킬 수 있으므로 조심해야 합니다.
유해위험문구:
금속을 부식시킬 수 있음
피부와 접촉하면 유해함
피부에 심한 화상과 눈에 손상을 일으킴
눈에 심한 손상을 일으킴

 

3-4.시약: HCl (염화수소산)

화학식: HCl
녹는 점: -85°C
끓는 점: -85°C
CAS 번호: 7647-01-0
특성: 무색의 가스 또는 약한 산성 용액으로 존재합니다. 강력한 산성을 가지며, 화학 실험, 수질 조사 및 기타 응용 분야에서 사용됩니다. 가스 형태의 HCl는 즉시 눈과 피부를 위험에 빠뜨릴 수 있으므로 주의가 필요합니다.
유해위험문구:
고압가스:가열하면 폭발할 수 있음
삼키면 유독함
피부에 심한 화상과 눈에 손상을 일으킴
눈에 심한 손상을 일으킴 흡입하면 유독함
호흡기 자극을 일으킬 수 있음
수생생물에 매우 유독함

출처 MSDS 검색어 <초산>, <아세트산 나트륨, 무수>, <수산화나트륨>, <염화수소>

https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdssearchMsds.do

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색

 

4.[실험 방법]실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

이때 [실험 3]과 [실험 4]에서 완충 용량에 따른 pH 변화를 간단히 예측하시오.

 

[실험 1] 증류수에서 pH 변화를 살펴본다.
① 증류수 50 mL을 비커에 담은 후 pH를 측정한다.
② 증류수 50 mL에 0.1 M NaOH 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.
③ 증류수 50 mL에 0.1 M HCl 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.

 

[실험 2] 완충용액을 만들고 완충효과를 알아본다.
(실험 2-1) 완충용액의 제조
① 0.1M CH3COOH 용액 만들기: 1 M CH3COOH 10 mL를 취하여 100mL 부피 플라스크에 넣고 증류수로 표시선까지 채운다.
② 0.1M CH3COONa 용액 만들기: 1 M CH3COONa 10 mL를 취하여 100mL 부피 플라스크에 넣고 증류수로 표시선까지 채운다.
③ 비커에 0.1 M CH3COOH 25 mL와 0.1 M CH3COONa 25 mL를 잘 섞고 pH를 측정한다.
(실험 2-2) 완충용액의 완충효과 확인
③ 완충용액에 0.1 M NaOH용액 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.
⑤ 다른 하나의 완충용액에는 0.1 M HCl용액 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.

 

[실험 3] 0.1 M 용액으로 만든 완충용액의 완충용량 확인
① 0.1M CH3COOH 5.0 mL와 0.1M CH3COONa 5.0 mL를 섞은 용액 2개를 만든다.
② 하나에는 0.1M NaOH용액 5.0 mL를 첨가하고, 다른 하나에는 0.1M HCl용액 5.0 mL를 첨가하여 pH를 각각 측정한다.

[실험 4] 1 M 용액으로 만든 완충용액의 완충용량 확인
① 1M CH3COOH 5.0 mL와 1M CH3COONa 5.0 mL를 섞은 용액 2개를 만든다.
② 하나에는 0.1M NaOH용액 5.0 mL를 첨가하고, 다른 하나에는 0.1M HCl용액 5.0 mL를 첨가하여 pH를 각각 측정한다.

 

4-A.

[실험 1] 증류수에서 pH 변화를 살펴본다.
① 증류수 50 mL을 비커에 담은 후 pH를 측정한다.
② 증류수 50 mL에 0.1 M NaOH 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.
③ 증류수 50 mL에 0.1 M HCl 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.

 

[실험 2] 완충용액을 만들고 완충효과를 알아본다.
(실험 2-1) 완충용액의 제조
① 0.1M CH3COOH 용액 만들기: 1 M CH3COOH 10 mL를 취하여 100mL 부피 플라스크에 넣고 증류수로 표시선까지 채운다.
② 0.1M CH3COONa 용액 만들기: 1 M CH3COONa 10 mL를 취하여 100mL 부피 플라스크에 넣고 증류수로 표시선까지 채운다.
③ 비커에 0.1 M CH3COOH 25 mL와 0.1 M CH3COONa 25 mL를 잘 섞고 pH를 측정한다.
(실험 2-2) 완충용액의 완충효과 확인
③ 완충용액에 0.1 M NaOH용액 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.
⑤ 다른 하나의 완충용액에는 0.1 M HCl용액 1.0 mL를 첨가하여 pH를 측정한다.

 

[실험 3] 0.1 M 용액으로 만든 완충용액의 완충용량 확인
① 0.1M CH3COOH 5.0 mL와 0.1M CH3COONa 5.0 mL를 섞은 용액 2개를 만든다.
② 하나에는 0.1M NaOH용액 5.0 mL를 첨가하고, 다른 하나에는 0.1M HCl용액 5.0 mL를 첨가하여 pH를 각각 측정한다.

[실험 4] 1 M 용액으로 만든 완충용액의 완충용량 확인
① 1M CH3COOH 5.0 mL와 1M CH3COONa 5.0 mL를 섞은 용액 2개를 만든다.
② 하나에는 0.1M NaOH용액 5.0 mL를 첨가하고, 다른 하나에는 0.1M HCl용액 5.0 mL를 첨가하여 pH를 각각 측정한다.