[표준일반화학실험] 21. 센물 분석 실험 레포트

1. 목적

물 시료에 들어 있는 Ca2+과 Mg2+ 전체 농도를 구하는 것이다. 이를 위해서 두 금속 이온과 결합하여 착물을 형성하는 킬레이트제 EDTA를 이용하는 직접 적정 방법으로 물 속에 존재하는 금속 이온의 대부분을 차지하는 Ca2+과 Mg2+의 농도를 구한다.

 

 

2. 실험기구&시약

* 시약은 조사하시기 바랍니다.

• 기구 : 뷰렛 50mL 1 개, 삼각 플라스크 125mL, 부피 플라스크 250mL, 부피 피펫 25mL 1개, 눈금 피펫 10mL 1개, 깔때기, 약수저, 가열판(hot plate), 자석 젓개 / 스포이트, 시험관 10개
• 시약 : 0.01 M Ca2+ 표준 용액, 0.01 M Na2H2Y 용액, 물 시료(수돗물), pH 10 buffer solution, EBT 지시약, 5가지 1% 수용액[탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2), 염화칼슘(CaCl2), 탄산나트륨(Na2CO3), 염화나트륨(NaCl), 염화마그네슘(MgCl2)

 

 

3. 실험 원리

(1) 자연수 속 금속 이온

• 자연수 속에 Ca2+이나 Mg2+과 같은 알칼리 토금속 이온이 존재하는 이유 : 약한 산성을 띠는 빗물이 칼슘이나 마그네슘의 난용성 탄산염 광물과 반응하기 때문이다. 이 반응에 따라 탄산염 광물이 부분적으로 녹아 자연수 속으로 Ca2+과 Mg2+이온들을 공급하게 된다.
• 세기 : 물 속에 존재하는 이들 이온들의 정도

• 물의 세기는 물 속에 들어 있는 모든 알칼리 토금속 이온의 전체농도를 말한다.
• 보통 Ca2+과 Mg2+의 농도가 다른 알칼리 토금속 이온의 농도보다 훨씬 크므로 물의 세기는[Ca2+] + [Mg2+]로 나타낸다.
• 세기는 흔히 물 시료 1 리터에 들어있는 CaCO3의 mg 수로 표시한다.
• 만약 [Ca2+] + [Mg2+] =1 mM이라면, 1mmol CaCO3 =100 mg CaCO3 이므로 세기는 1 리터당 100 mg CaCO3라 한다.

 

(2) 비누

자연수를 센물로 만드는 이온들이 물 속에 들어 있으면 비누와 반응하여 물에 녹지 않는 회색빛 침전물을 형성함으로써 세척제의 효능을 떨어뜨리게 된다. 비누는 스테아르산나트륨(C17H35CO2-Na+)과 같은 지방산의 나트륨 염으로 센물을 만드는 이온들과 결합하여 (C17H35CO2)2Ca(s)과 같은 회색빛 침전물인 비누 더껑이(soap scum)를 만든다.

그 회색빛 침전물은 옷이나 욕조 내부에 끼는 때를 만들고 식기, 유리 기구에 얼룩을 남기기도 한다. 센물은 또한 보일러나 찻주전자에 물때(scale)를 끼이게 함으로써 열전도를 떨어뜨린다. 보일러에 끼이는 물때는 열전도를 낮출 뿐 아니라 온수가 지나가는 파이프의 안쪽 벽을 막아 온수 흐름을 감소시키기도 한다. 경도가 높은 물은 비누가 잘 풀어지지 않으므로 가정 용수로 뿐 아니라 공업용수로서도 좋지 않다. 경도가 너무 높은 물을 아시게 되면 설사를 일으키는 수가 있으므로 음용수로 사용할 수 있는 기준은 2가 양이온의 함량이 300ppm이다. (그러나 실제로는 100ppm이하가 좋다고 본다.)

물에 칼슘이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 철 이온(Fe2+) 등이 많이 들어 있어 경도가 높은 센 물에는 비누가 잘 풀어지지 않는다. 센물에 비해 단물에는 칼슘 이온이나 마그네슘 이온 등이 적게 녹아 있어 비누가 잘 풀어진다. 칼슘 이온이나 마그네슘 이온이 들어 있는 물에 비누를 풀면 다음과 같이 비누가 칼슘염이나 마그네슘염이 되어 침전되므로 비누가 잘 풀어지지 않게 된다.

2RCOONa + Ca(HCO3)2 → (RCOO)2Ca↓ + 2NaHCO3

2RCOONa + Mg(HCO3)2 → (RCOO)2Mg↓ + 2NaHCO3

 

(3) 센물을 단물로 바꾸기

- 센물은 일시적 센물과 영구적 센물로 나눌 수 있다.

① 일시적 센물 : 칼슘이온이나 마그네슘 이온이 탄산수소염으로 존재하여, 끓이면 탄산수소염이 분해되면서 앙금으로 가라앉아 칼슘 이온이나 마그네슘 이온이 제거되므로 단 물로 된다. 따라서 가정에서 사용하는 물이 일시 센 물일 경우에는 끓이면 단물이 된다.

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + H2O + CO2

Mg(HCO3)2 → MgCO3↓ + H2O + CO2

 

② 영구 센물 : 칼슘 이온이나 마그네슘 이온이 황산염이나 염화물로 존재하기 때문에 물을 끓여도 칼슘 이온이나 마그네슘 이온의 황산염이나 염화물이 그대로 존재하게 된다. 그러므로 영구 센 물은 끓이는 것으로는 단물로 만들 수 없다. 영구 센물은 물속에 탄산나트륨과 같은 약품을 가하여 칼슘 이온이나 마그네슘 이온을 침전시키거나, 이온 교환 수지에 통과시켜 단 물로 만들 수 있다.

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCI

MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3↓ + Na2SO4

 

(4) 센물의 장점

그러나 센물이라 해서 건강에 해가 되는 것은 아니다. 사실, 물 속에 들어 있는 Ca2+과 Mg2+은 어느 정도까지는 몸에 필요한 영양소를 공급해 준다고도 볼 수 있다. 물의 세기와 심장병 감소가 상관이 있다는 연구 보고도 있다. 또 센물은 농업용수로 적합하다. 왜냐하면 알칼리 토금속 이온은 토양 속의 콜로리드 입자를 뭉치게 하는 경향이 있어 토양에 대한 물의 투과도를 증가시킨다.

 

(5) 배위 결합 : 2개의 원자가 결합을 형성하려고 할 때 한 쪽 원자에서 일방적으로 전자쌍을 내주어서 공유 결합이 형성되는 것으로, 한 개의 전자쌍은 하나의 배위 결합을 만들 수 있다.

 

(6) 리간드(ligand) : 배위 결합하고 있는 화합물의 중심 금속 이온의 주위에 결합하고 있는 분자나 이온으로 리간드는 금속 이온과 공유 결합을 하고 있기 때문에 수용액에서 이온화하지 않는다.

① 리간드는 배위 결합을 하는 원자(혹은 전자쌍)의 개수에 따라 구분된다.

• 한 자리 리간드 : 리간드의 한 원자에 있는 전자쌍 하나가 금속 이온 하나와 결합한다.
• 여러 자리 리간드 또는 킬레이트 리간드 : 비공유 전자쌍이 2개 이상이어서 한 번에 2개 이상의 배위 결합을 할 수 있는 리간드 → 킬레이트 리간드는 대체로 금속 이온과 강한 금속 착물(complex)을 형성한다.

 

(7) EDTA

• 화학분석 분야에서 가장 널리 쓰이는 킬레이트 리간드이다.
• EDTA는 대부분의 금속 이온들과 강한 1:1 착물을 형성하므로 적정을 이용하면 사실상 주기율표의 모든 원소를 EDTA로 정량할 수 있다.
• EDTA는 여섯 자리 킬레이트 리간드로서 보통 H6Y2+ 로 표시되는 육양성자성 산이다.
• 흔히 사용하는 시약은 이나트륨염인 Na2H2Y·2H2O인데 이것은 물에 잘 녹고 정제하기가 쉬우며, 흡습성이 없고 보존 및 취급이 용이하다.
• Y4- 화학종이 금속 이온과 결합하여 킬레이트 착화합물을 가장 잘 만든다. 배위 결합을 할 수 있는 전자쌍이 가장 많기 때문이다. ▷ 즉, EDTA가 물속에 있는 Ca2+, Mg2+ 이온과 원활하게 반응하려면 EDTA 용액 속에 Y4-가 많아야 한다.
• EDTA 용액은 pH에 따라서 각 화학종의 분율이 다르다. 따라서 EDTA가 착화합물을 잘 형성할 수 있는 형태인 Y4- 화학종이 가장 많이 존재하는 pH 환경을 조성해 주어야 한다.
• EDTA와 어느 금속 이온이 안정한 킬레이트 화합물을 만드는 데는 최적의 pH가 있다. pH를 일정하게 유지하기 위하여 완충 용액을 가할 필요가 있다.
• 물 속에 가장 많이 들어 있는 다가 양이온은 Ca2+과 Mg2+이다. 이 실험에서 EDTA와 반응할 수 있는 전체 금속 이온의 농도를 구하고 그것을 Ca2+과 Mg2+의 농도와 같다고 가정한다.

 

(8) 지시약 : EDTA 적정에 쓰이는 가장 일반적인 방법은 금속 이온 지시약을 사용하는 것이다.

① 금속 이온 지시약 : 금속 이온과 결합할 때 색이 변하는 화합물이다.

• 지시약은 그 자신이 금속 이온과 반응하여 킬레이트 화합물을 생성할 능력을 가지고 있어야 한다.
• 킬레이트 화합물의 형성 상수는 킬레이트 시약과 금속 이온에 의하여 형성된 킬레이트 화합물의 형성 상수보다 작아야 한다.
• 지시약과 금속 이온이 만드는 킬레이트 화합물은 분명하게 특이한 색을 띄어야 한다.

 

② EBT(Eriochrome Black T)

• EDTA-금속과의 킬레이트 형성 상수가 EBT-금속 간의 형성 상수보다 더 크므로 지시약을 통한 금속 이온 정량이 가능하다.
• EBT의 수용액은 pH 10부근에서 청색을 띄는데 Ca2+이나 Mg2+ 등의 금속 이온이 공존할 경우 리간드가 착물을 형성하기 쉬운 정도에 따라, Ca2+, Mg2+와 먼저 킬레이트 착물을 생성해 적자색을 보인다.
• 이 적자색의 용액을 EDTA를 적정하면 금속 이온과 EDTA가 착물을 만들고, 지시약인 EBT가 착물에서 떨어져나가 용액은 청색을 띄게 되어 적정량을 알 수 있다.

Mg2+-EBT 착물(적자색) + EDTA → EBT(청색) + Mg2+-EDTA 착물(무색)

Ca2+-EBT 착물(적자색) + EDTA → EBT(청색) + Ca2+-EDTA 착물(무색)

③ EDTA 적정 방법 : 여기서는 시료 용액을 EDTA 표준 용액으로 직접 적정하여 종말점까지 소비된 EDTA 표준 용액의 부피로부터 미지 시료의 농도를 확인하는 방법을 택한다.

 

4. 유의사항

• 모든 기구는 증류수로 잘 세척한 뒤 완전히 건조시켜 사용한다.
• EDTA 표준 용액은 폴리에틸렌 병에 보관하도록 한다.
• 색 변화 관찰 시 흰 종이를 밑에 까는 것이 좋다.

 

5. 실험 과정

실험 A. 표준 Ca2+ 용액으로 Na2H2Y 용액 표준화

1. EDTA 표준 용액 만들기: 대략 0.01 M Na2H2Y 용액 250mL를 만드는데 필요한 Na2H2Y·2H2O (FW: 372.25)의 질량을 계산한다. 저울에서 달아 증류수 100 mL 가량 들어 있는 250mL 부피 플라스크에 넣고 약간 데우면서 흔들어 녹인다. 눈금까지 증류수로 채운다.
2. 50mL 뷰렛을 증류수로 깨끗이 씻은 후, 소량의 Na2H2Y 용액으로 뷰렛을 헹군 다음 그 용액으로 채운다. 뷰렛의 처음 눈금을 읽어 기록한다. 헹굴 때 소량의 용액을 뷰렛 끝으로 흘려보낸다.
3. 125 mL 삼각 플라스크에 미리 준비해 둔 0.01 M 정도의 Ca2+ 표준 용액 25.0mL, 완충 용액 (pH 10) 1mL, EBT 지시약 2방울을 차례로 넣는다. 이때 색이 어떻게 변하는지 관찰한다.
4. Na2H2Y 용액으로 적정한다. 종말점 부근에서는 서서히 적정하는데 마지막 몇 방울은 3-5초 간격으로 조심스럽게 적정한다. 색깔 변화를 관찰하고 뷰렛에서 마지막 눈금을 읽어 기록한다.
5. 측정을 2회 더 반복한다. Na2H2Y 표준 용액의 농도를 계산한다.

 

실험 B. 센물 분석

1. 125 mL 삼각 플라스크에 물 시료 25.0mL, 완충 용액 (pH 10) 1mL, EBT 지시약 2방울을 차례로 넣는다. 이 때 색이 어떻게 변하는지 관찰한다.
2. 위 실험 A에서처럼 Na2H2Y 표준 용액으로 청색으로 변할 때까지 적정한다. 마지막 눈금을 기록한다.
3. 측정을 2회 더 반복한다. 물 시료의 세기(hardness)를 계산한다.

 

 

 

6. 실험결과

실험 A. 표준 Ca2+ 용액으로 Na2H2Y 용액 표준화

- 0.01 M Na2H2Y 용액 250mL를 만드는데 필요한 Na2H2Y•2H2O의 질량 :

	실험
표준 Ca2+ 용액 부피(mL)	25.0mL
2. 표준 Ca2+ 농도	0.01 M
3. Ca2+ 몰 수 = Na2H2Y 몰 수
4. 뷰렛 시작 눈금(mL)
5. 뷰렛 마지막 눈금(mL)
6. Na2H2Y 적정 부피 (mL)	0.6 mL
7. Na2H2Y 용액의 농도 (mol/mL)	0.417 M
8. Na2H2Y 용액의 평균 농도 (mol/mL)

 

실험 B. 센물 분석

	실험1
1. 물 시료 부피(mL)	25.0 mL
2. 뷰렛 시작 눈금(mL)	0
3. 뷰렛 마지막 눈금(mL)	1.1
4. Na2H2Y 적정 부피 (mL)	1.1 mL
5. Na2H2Y 몰수 = Ca2++ Mg2+몰수	0.459 mmol
6. CaCO3 상당 질량(g)	1.83 g
7. CaCO3 ppm
8. CaCO3 평균 ppm

728x90

 

 

7. 고찰, 생각해볼 사항

(1) pH 10 완충 용액을 첨가하는 이유는 무엇일까?

EDTA는 pH에 따라 존재하는 형태가 달라진다. 이 때 Y4- 화학종이 금속 이온과 결합하여 킬레이트 착화합물을 잘 만들기 때문에 Y4-화학종이 가장 많이 존재하는 pH 10을 유지해주는 것이 필요하다. 그러나 너무 높은 pH에서는 이온들이 탄산칼슘 또는 수산화 마그네슘의 침전을 형성할 위험이 있고, 지시약의 색깔도 변하기 때문에 적정 pH를 유지해 주어야한다.

 

(2) 세기(hardness)가 오직 CaCO3만에 의한 것이라고 가정하면, 1 L 시료당 mg CaCO3의 세기를 나타내 보아라.

 

(3) 종말점에서 색깔 변화는 어떤 반응의 결과로 일어나는가?

붉은색을 띠고 있는 금속-EBT 착물에 EDTA를 가해주면 종말점에서 금속-EDTA 착물이 혀성되고 EBT는 해리하게 딘다. 이때 해리된 EBT로 인해 푸른색이 나타난다.