[화학및 실험2] 8주차 예비보고서, 일감호 수질 검사 : 화학적 산소 요구량 (COD) 측정

일감호 풍경사진

[실험 제목]

일감호 수질 검사 : 화학적 산소 요구량 (COD) 측정

 

[실험 목적]
과망간산칼륨을 이용한 COD를 측정하여 일감호의 오염도를 알아본다.

 

[실험 이론]
다음 실험 이론을 조사하시오.

1.BOD( 생물학적 산소 요구량)에 대해 설명하시오.

생화학적 산소 요구량

생화학적 산소 요구량은 물 속에 있는 호기성 미생물이 유기물을 분해하는 데 필요한 산소 소모량을 말하며, 영어로는 BOD(Biochemical Oxygen Demand)이다. BOD는 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서의 용존산소량(DO) 농도변화를 통해 유기물의 양을 간접적으로 측정하는 것이다. 즉, BOD가 높을수록 유기물이 많이 포함된 오염된 물이다. 구체적으로, BOD는 호기성 박테리아가 20°C에서 5일간 수중의 유기물을 산화 분해시켜 정화하는 데 소비되는 산소량을 ppm(백만분율)으로 나타낸 것이다. 하천수가 1급수로 분류되기 위해서는 BOD가 1ppm 이하여야 한다. 5ppm 이상이 되면 하천은 자기정화능력을 잃으며, 10ppm을 넘은 물은 등급 외의 매우 오염된 물로서, 썩는 냄새가 난다.

측정법
먼저 BOD를 측정할 물의 용존산소량(DO)을 측정한다. 그 다음 샘플의 유기물을 분해할 미생물을 주입한다. 그리고 샘플을 20 °C의 빛이 들지 않는 어두운 곳에 보관하는데, 이는 광합성이 일어나서 산소가 생산되지 않게 하기 위함이다. 5일동안 보관한 뒤 다시 용존산소량(DO)를 측정하여 실험 전의 DO값과 비교한다. 처음 DO값에서 최종 DO값을 뺀 것이 BOD이다. 정확히는 BOD5라고 한다. 원래는 20일간 보관한 뒤 다시 용존산소량(DO)를 측정한 뒤 실험 전의 DO값과 비교하여 BOD값을 내는데, 이때는 BODL(BODu)라고 한다. 질산화 작용 억제제를 첨가하여 질소의 산화를 제외하고 BOD값을 구한 결과값은 탄소 BOD(cBOD)라고 한다.

BOD 계산법:
초기 DO - 최종 DO = BOD
BOD는 물의 유기 화합물을 측정한다는 점에서 화학적 산소 요구량(COD)과 유사하다. 그러나 COD의 경우에는 화학적으로 산화가 될 수 있는 모든 물질을 측정할 수 있으므로 생분해성 물질만 측정할 수 있는 BOD보다 더 광범위한 오염을 측정할 수 있다.

출처 위키백과 <생화학적 산소 요구량>

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%9D%ED%99%94%ED%95%99%EC%A0%81_%EC%82%B0%EC%86%8C_%EC%9A%94%EA%B5%AC%EB%9F%89

생화학적 산소 요구량 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

2.역적정(back titration)에 대해 설명하시오.

2-1.

역 적정
용량 분석에서의 적정법의 하나. 시료 용액에 표준액의 일정 과잉량을 가하여 충분히 반응시킨 후, 반응 나머지 표준액을 별도의 표준액으로 적정하여 문제의 성분량을 간접적으로 구하는 적정. 예를 들면, 농도를 모르는 수산화칼륨 10ml와 농도 1M의 염산 20ml를 가하여 혼합액이 산성을 띠게 한다. 이 혼합액 속에 과잉의 산의 양을 측정하기 위하여 1M의 수산화나트륨 용액을 중화될 때까지 적정을 한다. 이 중화점에 이르기까지에 소요된 수산화나트륨의 부피가 10ml였다고 하면 20~10＝10ml, 즉 1M의 염산 10ml는 원래의 수산화칼륨 10ml속의 염기 총량에 해당하게 되는 것이다. 즉 수산화칼륨의 농도가 1M인 것을 알 수 있다. 산과 염기의 중화, 산화·환원, 침전의 생성·소거를 이용하는 경우와 공업상 원유의 비누화값을 산출할 때 등에도 사용된다.

출처 [네이버 지식백과] 역 적정 [back titration] (화학용어사전)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=607883&cid=42420&categoryId=42420

역 적정

 

2-2.

역적정 (Back Titration)
역적정은 적정 실험을 반대로 수행하는 것이다; 원래 용액을 적정하는 대신 과량의 표준용액을 반응시키고 남은 것을 적정하는 것이다. 역적정은 일반 적정실험보다 역적정의 종말점을 찾기 수월할 때 행해지는데 일반적으로 침전 실험(precipitation reaction)에서 사용된다. 또한 역적정은 적정제와 분석 대상 용액의 반응속도가 매우 느리거나 분석 대상 물질이 물에 녹지 않는 고체일 때 유용하게 사용된다.

출처: 위키백과 <적정>

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%81%EC%A0%95_(%EA%B3%BC%ED%95%99)

적정 (과학) - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

3. N(노르말 농도), ppm, ppb 농도에 대해 설명하시오.

3- 1. N(노르말 농도)

규정농도·당량농도라고도 한다. 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 g당량수를 나타낸 농도를 말하며, 기호 N으로 표시한다. 산·알칼리의 중화반응 또는 산화제와 환원제의 산화환원반응의 계산 등에 널리 이용된다. 그러나 같은 물질이라도 관여하는 화학반응에 따라 g당량수가 달라지는 경우가 있으므로, 농도의 표시법으로서는 모호한 점이 있다. 예를 들어, 과망가니즈산칼륨을 산성용액 속에서 환원제로 반응시키면 망가니즈가 7가에서 2가의 상태로까지 환원되므로, 과망가니즈산칼륨 식량의 1/5이 1L 속에 포함되는 용액을 1노르말농도로 한다. 그러나 중성에서 반응시키는 경우에는 망가니즈가 7가에서 4가의 상태로 환원된다. 따라서 1L 속에 식량의 1/3을 함유하는 용액이 1노르말농도가 된다.

[네이버 지식백과] 노르말농도 [normality] (두산백과)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1076880&cid=40942&categoryId=32251

노르말 농도(Normality)는 염의 화학적 성질을 돋보이게 해준다. 용액에서, 염은 별개의 반응적인 종들(H+, Fe3+, 또는 Cl-와 같은 이온들)로 분리된다. 노르말농도는 한 용액에서 다양한 이온 농도들간의 차이를 설명해준다. 예를 들어, MgCl2 와 같은 염의 경우, 여기에는 Mg2+의 총 몰 수 당 Cl- 은 두배의 몰 수가 있어서, Cl- 의 농도는 2 N 이라고 한다(투 노멀). 더 나아간 예들이 아래에 있다. 노르말농도는 어떤 용액에서 용질의 농도를 말하기도 한다. 한 용액의 노르말농도는 그 용액 1 리터당 용질 당량 무게의 수를 말한다. 노르말농도의 정의는 계획된 정확한 반응에 의한다.
예를 들어, 염산(HCl)은 단일 양성자 산이므로 1 몰은 1 당량을 가진다. HCl 산 1M 수용액 1 리터는 36.5 g의 HCl을 포함한다. HCl의 1 N (원 노멀) 수용액 이라고 부른다. 다음의 공식을 따라서 구할 수 있다.

노르말농도, N = 당량수/수용액의 리터
출처 : 위키백과 <노르말농도>

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%85%B8%EB%A5%B4%EB%A7%90_%EB%86%8D%EB%8F%84

노르말 농도 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

3- 2. ppm

매우 묽은 용액의 농도는 백만분율(ppm. parts per million)또는 십억분율(ppb. parts per bilion)로 표시한다. 이 양은 질량백분율과 유사하다. 단지 용액의 질량 대용질의 질량비를 위해 곱하는 수가 다르다. 100대신에 각각 10^6(a milion)또는 10^9(a billion)을 사용한다. 따라서 백만분율의 정의는 다음과 같다.

성분의 ppm = ( 용액송의 성분의 질량/ 용액의 총질량 ) x 10^6 [13.6]
1ppm농도의 용액은 용액백만(10)g중 1g의 용질을 포함하거나, 용액 1kg당 1mg의 용질을 포함한다. 물은밀도가 1g/mL이므로 묽은 수용액 1kg은 부피로 1L이다. 따라서 1ppm은 수용액 1L당 1mg의 용질을 포함한다. 독성물질이나 발암물질의 최대 허용 농도는 Ppm또는 Ppb로 표시한다. 예를 들어. 세계보건기구는 음용수중 비소의 최대 허용 농도를 0, 010pm으로 권장하고 있다. 이는 물 1L에 0. 010mg의 비소가 포함된 양이다. 이 농도를 10ppb로 표시할 수도 있다.

성분의 ppb = ( 용액송의 성분의 질량/ 용액의 총질량 ) x 10^9

출처 브라운 일반화학 13.4절 용액 농도 표시법 p606~607

https://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=308141486 

Brown 일반화학 (일반화학교재연구회)

4. 수질오염의 원인이 되는 유기물에 대해 설명하시오.

4-1. 수질오염물질

수질오염물질은 수질 및 수생태계 보전에 관한법률 제2조에 의하면 수질오염의 원인이 되는 물질을 말한다. 수질오염물질이 수중에 흘러들어가면 사람이나 환경, 생태계에 악영향을 미치게 되고, 수질오염물질의 농도가 심각할 정도로 높게 되면, 모든 생명체가 죽어 죽은 생태계가 된다. 수질오염물질로는 유기물질, 영양염류, 중금속, 환경호르몬, 방사능 물질, 열오염, 유류, 유기화합물, 미량생태독성물질, 탁도유발물질, 색도유발물질 등 매우 많은 종류의 오염물질이 있다.

[네이버 지식백과] 수질오염물질 [water pollutants] (물백과사전)

수질오염의 종류
1) 영양 염류 : 질소와 인 화합물, 부영양화 → 녹조 현상(하천), 적조 현상(바다)
2) 중금속 : 공장 폐수, 농약 → 수은, 카드뮴, 납, 크로뮴, 먹이연쇄 → 생물체 축적
3) 유기 화학 물질 : DDT, 제초제(다이옥신)
4) 기타 :병원성 미생물, 부유 물질, 방사선 폐기물 등

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3394132&cid=60289&categoryId=60289

수질오염물질

 

4-2. 영양 염류

규산염 · 인산염 · 질산염 · 아질산염 등의 총칭으로 간단히 영양염이라고도 한다. 바닷말의 몸체나 식물플랑크톤의 몸체를 구성하며, 영양염류는 증식에 있어 주요요인으로 작용한다. 바닷물 속에서는 식물플랑크톤의 생산량을 영양염류가 좌우하는데, 이것은 동물플랑크톤의 생산량을 좌우하며, 다시 이것을 먹이로 하는 어류의 생산량에 영향을 미친다. 이는 육상의 논, 밭에서 비료와 같은 역할을 하는데 하천의 유입 등으로 인해 연안부에서 영양염류가 풍부하다.

[네이버 지식백과] 영양염류 [nutrient salts] (물백과사전)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3394607&cid=60289&categoryId=60289

영양염류

 

4-3. DDT

유기염소 계열의 살충제이자 농약이다. 염소를 한 개씩 달고 있는 벤젠 고리 2개와 3개의 염소가 결합한 형태의 유기 염소화합물이다.
다이클로로다이페닐트라이클로로에테인이라고도 한다. 화학식은 (ClC6H4)2CH(CCl3)이다. 강력한 살충효과와 제초효과를 가지고 있다. 상온에서 색이 없는 결정 상태의 고체로 존재하며 극성이 없어서 물에 녹지 않는다. DDT는 클로로벤젠과 트라이클로로에탄올을 반응시켜 제작하며 다양한 상품명을 가지고 있다. 곤충의 신경세포에 작용하여 나트륨이 세포막을 이동하는 것을 막아 버림으로써 살충효과가 나타난다.
[네이버 지식백과] DDT [dichloro-diphenyl-trichloroethane] (두산백과 두피디아, 두산백과)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1085902&cid=40942&categoryId=31874

DDT

 

4-4. 제초제(다이옥신)

다이옥신은 산소 2개를 포함하는 불포화 육원자 헤테로고리 화합물을 말한다. IUPAC 체계명에서는 모체를 다이옥신(dioxine)이라고 하여 어미에 –e가 붙는다. 통상명에서는 어미 –e를 생략하고 있다. 이와 달리 포화된 해당 고리는 다이옥세인(dioxane)이다.
오염 물질로서의 잘 알려진 다이옥신의 기본 골격은 벤젠 고리 2개가 1,4-다이옥신의 각각의 2중 결합에 접합한 화합물인 다이벤조[b, e][1, 4]다이옥신이며 각 벤젠 고리에 염소 원자들을 여러 개 가지고 있다. 이러한 다이옥신은 다염화 다이벤조다이옥신(PCDD)이라고 부르며 대표적인 화합물은 2,3,7,8-테트라클로로다이벤조다이옥신(TCDD)이다. 다이옥신은 분해가 잘 안되는 환경 오염물 (persistent organic pollutant, POP)이며 사이안화 포타슘(KCN)보다 독성이 약 500배 크고, 인체 내 반감기가 7~12년이나 되는 위험 물질이다.
[네이버 지식백과] 다이옥신 [dioxine] (화학백과)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5662791&cid=62802&categoryId=62802

다이옥신

 

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

[기구와 시약]

- 기구
메스실린더, 삼각플라스크, 비커, 삼발이, 스탠드, 부피플라스크, 뷰렛

 

- 시약
KMnO4, Na2C2O4, AgNO3, 황산

5-1. KMnO4 (과망간산칼륨)

화학식: KMnO4

분자량: 158.034 g/mol
물리적 특성: 까만-자주색 결정체, 물에 잘 녹음
녹는 점: 약 240°C
끓는 점: 분해가 시작하는 약 380°C
CAS 번호: 7722-64-7
위험성: 산화제로 작용하며, 물과 접촉 시 화학 반응을 일으켜 열 및 산소 방출 가능. 또한, KMnO4 자체가 자연적으로 불안정하므로 저장 및 다룰 때 주의가 필요합니다.
유해위험문구: 화재를 강렬하게 함:산화제
삼키면 유해함
피부에 심한 화상과 눈에 손상을 일으킴 눈에 심한 손상을 일으킴
장기간 또는 반복노출 되면 장기(영향을 받는 것으로 알려진 모든
장기를 명시한다.)에 손상을 일으킬 수 있음(특정표적장기독성(반복 노출)을 일으키는 노출 경로를 기재. 단, 다른 노출경로에 의해 특정 표적장기독성(반복노출)을 일으키지 않는다는 결정적인 증거가 있 는 경우에 한한다.)
수생생물에 매우 유독함
장기적인 영향에 의해 수생생물에게 매우 유독함

5-2. Na2C2O4 (나트륨 옥살산염)

화학식: Na2C2O4
분자량: 134.00 g/mol
물리적 특성: 백색 결정체, 물에 잘 녹음
녹는 점: 365-367°C
끓는 점: 분해가 시작하는 약 365°C
CAS 번호: 62-76-0
유해위험문구:
눈에 심한 자극을 일으킴

5-3. AgNO3 (질산 은)

화학식: AgNO3
분자량: 169.87 g/mol
물리적 특성: 백색 결정체, 물에 잘 녹음
녹는 점: 212°C
끓는 점: 440°C
CAS 번호: 7761-88-8
위험성: 질산 은은 유독물질로 분류되며, 피부와 점막에 자극을 줄 수 있습니다. 또한 질산 은은 미치는 물질과 반응할 때 염소와 같은 강한 산화제로 작용할 수 있으므로 주의가 필요합니다.
유해위험문구:
화재를 강렬하게 함: 산화제
눈에 심한 손상을 일으킴
흡입하면 치명적임
장기(영향을 받는 것으로 알려진 모든 장기를 명시한다.)에 손상을 일으킬 수 있음(특정표적장기독성(1회노출)을 일으키는 노출 경로 를 기재. 단, 다른 노출경로에 의해 특정표적장기독성(1회노출)을 일으키지 않는다는 결정적인 증거가 있는 경우에 한한다.)
수생생물에 매우 유독함
장기적인 영향에 의해 수생생물에게 매우 유독함

 

5-4. 황산 (Sulfuric Acid, H2SO4)

화학식: H2SO4
분자량: 98.08 g/mol
물리적 특성: 무색 밀도 높은 액체
녹는 점: 10°C
끓는 점: 337°C
CAS 번호: 7664-93-9
위험성: 황산은 강력한 강산성을 가지며, 피부와 눈에 심각한 화학화상을 일으킬 수 있습니다. 또한, 화학 반응을 통해 열을 방출할 수 있으며, 적절한 안전장비를 착용하고 안전한 다루기가 필요합니다.
금속을 부식시킬 수 있음
피부에 심한 화상과 눈에 손상을 일으킴
눈에 심한 손상을 일으킴
흡입하면 치명적임
암을 일으킬 수 있음(암을 일으키는 노출 경로를 기재한다. 단, 다른 노출경로에 의해 암을 일으키지 않는다는 결정적인 증거가 있는 경 우에 한한다.)
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.)
장기적인 영향에 의해 수생생물에게 유해함

MSDS 물질검색 : <과망간산칼륨>, <나트륨 옥살산염>, <질산 은>, <황산>

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

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색

6. [실험 방법]실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

이때 과망간산칼륨(KMnO4)와 옥살산나트륨(Na2C2O4)의 산화환원 반응식을 적으시오.

 

① 일감호 물(시료) 50.0 mL 와 증류수 50.0 mL를 250 mL 삼각플라스크에 넣는다.
② 100 mL 부피플라스크에 KMnO4 0.079 g을 녹여 0.025N KMnO4 용액을 만든다.
③ AgNO3 0.6 g를 ①번의 삼각플라스크에 넣고 충분히 흔들어 준다.
④ 후드 안의 12 N 황산 10 mL와 0.025N KMnO4 10mL를 ③번의 삼각플라스크에 넣는다.
⑤ 1000 ml 비커에 약 200 ml의 물을 채우고 비등석(끓임쪽)을 넣는다. (시약스푼 1스푼)
⑥ ④번의 250 mL 삼각플라스크를 물중탕으로 20~30분간 가열한다. (용액의 색이 붉게 변함)
(삼발이에 석면을 놓고 물중탕을 실시한다.)
⑦ 가열을 하는 동안 50mL 부피플라스크에 Na2C2O4 0.084g을 녹여 0.025N Na2C2O4를 만든다.
⑧ 가열을 멈추고, 0.025N Na2C2O4 10.0mL를 삼각플라스크에 넣는다.
(이때, 붉은색의 용액이 투명해져야 한다. 단, 흰색 침전물에 의해 불투명할 수 있다.)
⑨ 0.025N KMnO4 용액으로 뷰렛을 씻어준 후, ⑧번의 투명해진 용액이 옅은 분홍색을 나타낼 때까지 0.025N KMnO4 용액을 천천히 넣어 적정한다. (적정 시 플라스크를 흔들어주어 색이 완전히 변하였는지 확인하여야 한다.)
⑩ 위와 같은 방법으로 증류수만 100 ml를 사용하여 바탕실험을 진행한다.
⑪ 화학적 산소 요구량(COD)을 계산한다.

6-A.

산성 조건에서 과망간산칼륨(KMnO4)의 산화환원 반응 :

MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn^2+ + 4H2O
(1 M KMnO4 → 5 N KMnO4)

과망간산칼륨(KMnO4)과 옥살산나트륨(Na2C2O4)의 산화환원 반응 :
2MnO4- + 5C2O4^2- + 16H+ ↔ 2Mn(2+)+ 10CO2 + 8H2O