5-4-4. 중화 적정
1. 중화 반응의 알짜 이온 반응식/반응에 참여하는 이온/
3. 중화 적정 곡선/강산을 강염기로 중화/강산을 약염기로 중화/
염산과 수산화나트륨을 반응시키면 염과 물이 생깁니다.
이와 같이 산과 염기가 반응하여 염이 생기는 과정을
중화 반응이라 합니다.
이제 중화 적정과 지시약 등에 관하여 공부합니다.
염산(HCl 수용액)은 강산이어서
물 속에서 거의 100% 이온화하여 H+와 Cl-로 존재합니다.
수산화나트륨(NaOH) 수용액 또한 강염기이기 때문에
물 속에서 거의 100% 이온화하여 Na+와 OH-로 존재하지요.
따라서 두 용액을 섞으면 다음과 같이 중화 반응이 일어납니다.
HCl(aq) + NaOH(aq) --> NaCl(aq) + H2O(l)
이 때 수용액에서 실제로 반응에 참여하는 이온을 따져 보면
반응 전이나 반응 후나 Na+와 Cl-의 경우는
물 속에서 변함 없이 이온 상태를 유지합니다.
이런 이온을 우리는 구경꾼 이온이라고 부릅니다.
왜냐 하면 반응에는 참여하지 않고
마치 방관하는 구경꾼과 같다 하여 붙인 이름이죠.
이에 반해 H+와 OH-는 실제로 반응하여
새로운 물질을 만들어 내는 이온이므로 알짜 이온이라고 부릅니다.
알짜 이온 반응식은 알짜 이온 간의 반응식을 나타냅니다.
따라서 위 반응의 알짜 이온 반응식은 H+ + OH- --> H2O가 됩니다.
중화 반응은 눈에 보이지 않기 때문에
확인하는 방법으로 지시약을 사용합니다.
지시약은 수용액의 액성에 따라 즉, 산성이냐 중성이냐 염기성이냐에 따라
그 색깔이 변함으로써 중화 반응이 일어나는 것을 눈으로
직접 확인하게끔 해 주는 화합물을 말합니다.
이런 지시약은 대개 약한 산성 또는 약한 염기성 물질로 이루어져 있습니다.
다음은 어떤 지시약이 이온화하여 나타내는 색깔을 예로 든 것입니다.
이온화하지 않은 지시약의 분자 상태 색깔은 무색이지만,
이온의 색깔은 붉은색으로 나타나 있죠?
여기에 염기를 첨가하면
H+ + OH- --> H2O 반응이 일어나 H+ 이온이 줄어들고
위 지시약의 평형 상태가 오른쪽으로 이동하게 됩니다.
이 때 [In-]/[HIn]의 값이 0.1 이하이면
대부분 [HIn] 상태를 유지하므로 분자 색깔인 무색으로 나타날 것이고,
[In-]/[HIn]의 값이 10 이상이면 대부분 [In-] 상태를 유지하므로
이온 색깔인 붉은색이 나타날 것입니다.
결국 지시약의 색깔은 pH에 영향을 받게 됩니다.
여러분들이 알아두어야 할 것들을 정리합니다.
*지시약은 약한 산이나 약한 염기이므로 적정 실험 시 두 세 방울 정도만 사용한다.
*지시약의 색깔이 변하는 pH 범위에 대하여는 다음 두 가지 정도만 외웁시다.
메틸 오렌지 (pH 3.1-4.4 ; 산성, 적색에서 황색으로 변색)
페놀프탈레인 (pH 8.2-10.0 ; 염기성, 무색에서 적색으로 변색)
위에서 pH 범위 자체를 외울 필요는 없고
다만 산성 영역에서 변색하는지
염기성 영역에서 변색하는지 정도만 알아두면 됩니다.
즉, 메틸 오렌지는 산성이 세면 적색, 중성이나 염기성에서는 황색이며
페놀프탈레인은 산성이나 중성에서는 무색,
염기성이 세면 붉은색을 띤다는 정도면 됩니다.
강산에 강염기를 떨어뜨려 중화시키는 경우
중화점에서 용액의 pH는 7로서 중성이겠지만
강산을 약염기로, 약산을 강염기로
또는 약산을 약염기로 중화시키는 경우에도 pH가 과연 7로 될까요?
이제 다음에 중화 적정이 이루어지는 과정에 대하여 살펴 봅니다.
(1) 강산을 강염기로 중화하는 경우-염산 + 수산화나트륨
중화점은 pH가 7 근처이고,
지시약으로는 산성 영역에서 변색하는 메틸 오렌지와
염기성 영역에서 변색하는 페놀프탈레인을 모두 쓸 수 있습니다.
지시약을 쓸 수 있는 pH 범위는 pH가 급격하게 변하는 구간에
지시약의 변색 범위가 들어 있으면 됩니다.
(2) 강산을 약염기로 중화하는 경우-염산 + 암모니아수
중화점은 pH가 7보다 작은 산성 영역에 있으며,
지시약으로는 산성 영역에서 변색하는 메틸 오렌지가 적당합니다.
(3) 약산을 강염기로 중화하는 경우-아세트산 + 수산화나트륨
중화점은 pH가 7보다 큰 염기성 영역에 있으며,
지시약으로는 염기성 영역에서 변색하는 페놀프탈레인이 적당합니다.
(4) 약산을 약염기로 중화하는 경우-아세트산 + 암모니아수
중화점은 pH 7 근처이겠지만 중화점을 전후하여 pH가 완만하게 변하므로
지시약은 사용할 수가 없습니다.
지시약을 사용하려면 pH가 급격하게 변해야만 합니다.
수용액 속에서 이온의 전기 전도도는 그 비율이 대략
H+ : OH- : 기타 이온 = 4 : 2 : 1 쯤 됩니다.
따라서 염산이 전기가 잘 통하는 주된 이유는
염화 이온보다 수소 이온(H+)의 영향이 크고,
수산화나트륨의 전기 전도도는 주로 나트륨 이온보다
수산화 이온(OH-)에 영향을 받는다고 볼 수 있는 것이죠.
산과 염기의 중화 반응 실험으로는 pH 변화에 따른 지시약의 이용 방법과
전기 전도도를 측정하는 방법이 있습니다.
다음은 염산을 수산화나트륨 수용액으로 중화시키는 반응에서
전기 전도도 변화를 나타낸 그림입니다.
H+ + Cl- + Na+ + OH- --> Na+ + Cl- + H2O
염산에 수산화나트륨을 넣으면
중화 반응에 의해 H+ 이온이 줄어들어 전기 전도도가 점점 떨어지다가
중화점에 이르면 전기 전도는 주로 Na+와 Cl-에 의존하므로
전류의 세기가 가장 약합니다.
그 이후 계속 NaOH 수용액을 넣으면
수산화 이온(OH- 이온)이 증가하여 전기 전도도가 높아지는 주요 원인이 됩니다.