Arrhenius acid는 물에 용해될 때 수소 이온을 생성하는 물질이고 염기는 수산화물 이온을 생성하는 물질입니다. 수소 이온은 즉시 물과 반응하여 히드로늄 이온을 형성하지만 단순화를 위해 계속 수소 이온으로 생각할 것입니다. 용액에 있는 수소 이온 또는 수산화물 이온의 양에 따라 산성 또는 염기성으로 간주됩니다.
우리는 수소 이온 농도의 음의 로그로 계산되는 pH를 사용하여 산도 또는 염기성의 양을 측정합니다. 따라서 7 미만의 pH 값은 산성이고 7 이상의 pH 값은 염기성입니다. pH 7은 중성입니다.
산과 염기는 또한 pH와 다른 강도에 따라 비교됩니다. 산의 강도는 수소 이온이 켤레 염기라고 하는 음이온에서 얼마나 쉽게 해리되는지와 관련이 있습니다. 수산화물 이온(hydroxide ion)과 그 공액산(conjugate acid)과 관련하여 염기에 대해서도 동일한 아이디어가 이어집니다. 산 해리 상수 또는 Ka를 사용하여 해당 강도에 값을 할당할 수 있습니다.
Ka는 비해리산(non-dissociated acid)과 해리된 수소 이온 및 접합체 염기의 농도를 사용하여 정의된다. 이 관계는 종종 Ka의 음수 로그인 pKa로 표시되는 것을 볼 수 있습니다. pKa가 작을수록 산이 더 강해집니다.
염산과 같은 일부 산은 단양성자인데, 이는 수소 이온을 하나만 해리할 수 있음을 의미합니다. 인산과 같은 폴리프로트산은 여러 수소 이온을 해리할 수 있습니다. 각 해리에는 고유한 pKa가 있습니다.
그렇다면 pKa를 어떻게 결정할 수 있을까요? 한 가지 방법은 산-염기 적정을 수행하는 것입니다. 적정은 농도를 알 수 없는 용액에 농도가 알려진 용액을 천천히 첨가하면서 이들 사이의 반응을 관찰하여 수행됩니다. 이 경우, 산은 중화 반응에서 염기와 반응하여 소금과 물을 형성합니다.
따라서 산에서 수소 이온의 농도를 측정하려면 산이 중화될 때까지 알려진 수산화물 이온 농도를 가진 강한 염기로 간단히 적정할 수 있습니다. 적정을 정확하게 수행하려면 염기를 표준화해야 하며, 이는 정확한 수산화물 이온 농도를 알고 있어야 함을 의미합니다. 이것이 항상 간단한 것은 아닙니다.
예를 들어, 실험에 사용할 NaOH는 흡습성이 매우 높아 대기에서 물을 흡수합니다. 이것은 NaOH에 고체와 용액 모두에서 발생합니다. 따라서 NaOH 용액의 실제 농도는 예상보다 낮을 수 있습니다.
NaOH의 정확한 농도를 측정하려면 먼저 산-염기 적정을 수행해야 합니다. 이렇게하려면 염기를 사용하여 알려진 농도의 산을 적정해야합니다. 칼륨 수소 프탈레이트(KHP)는 비흡습성산이므로 질량에서 농도를 정확하게 계산할 수 있습니다.
적정이완료되었을 때(산이 중화되었음을 의미함) 페놀프탈레인(phenolphthalein)과 같은 pH 지시약을 사용하여 확인할 수 있습니다. Phenolphthalein은 약 pH 0에서 pH 8 사이에서 중성이며 무색입니다.
pH가 증가함에 따라 두 개의 수소 이온이 해리됩니다. 이 음이온 형태는 분홍색입니다. 따라서 적정을 시작할 때 KHP 용액은 산성이고 페놀프탈레인은 무색입니다. NaOH를 첨가하고 수소 이온이 중화되면 pH가 증가합니다.
이 반응에서, 용액은 동일한 양의 산과 염기가 함께 혼합되었을 때 중성입니다. 그 후 NaOH를 조금 더 첨가하면 pH가 염기되고 용액이 분홍색으로 변합니다. 이를 엔드포인트라고 합니다. KHP의 몰과 이를 중화하는 데 사용되는 NaOH의 부피를 알고 있다면 염기의 정확한 농도를 계산할 수 있습니다.
표준화된 염기가 확보되면 pH를 모니터링하면서 표준화된 염기로 알려진 농도의 산을 적정하여 산의 pKa를 측정할 수 있습니다. 첨가된 염기의 부피 대비 pH의 플롯을 적정 곡선이라고 합니다. 곡선은 일반적으로 S 또는 시그모이드 모양을 따르며, 곡선의 가장 가파른 부분의 변곡점은 등가 점을 나타냅니다.
여기서 수산화물 이온과 해리된 수소 이온의 몰은 동일합니다. pKa와 마찬가지로 해리된 수소 이온 각각에 대해 하나의 당량점을 볼 수 있습니다. 따라서 monoprotic acid는 당량점이 하나뿐이고 triprotic acid는 3 개입니다.
적정을 수행할 때 pH 지시약이 무색에서 분홍색으로 간신히 변할 때 당량점을 통과했음을 알 수 있습니다. 이를 적정 종말점이라고 합니다. 염기를 표준화할 때와 마찬가지로, 이것은 용액에 약간의 수산화물 이온이 과량하여 약간 염기성인 경우입니다.
그래프의 또 다른 변곡점은 당량점의 중간에서 발생합니다. 여기서, 해리된 산과 해리되지 않은 산의 농도는 동일합니다. 따라서 이 지점의 pH는 pKa와 같습니다. 따라서 적정을 수행하고 당량점 부피를 측정하면 pKa를 이 부피의 절반에서 pH로 계산할 수 있습니다.
이 실험실에서는 먼저 염기를 표준화한 다음 표준화된 염기를 사용하여 적정을 수행하여 폴리프로트산의 2pKa를 측정합니다.
At the end of this lab, students should know...
Arrhenius 산은 물에 용해될 때 해리되어 수소 이온을 생성하는 산인 반면, Arrhenius 염기는 물에 용해될 때 수산화물 이온을 생성합니다.
pH는 용액의 산도 또는 알칼리도를 측정한 것입니다. 용액 내 수소 또는 히드로늄 이온 농도의 음의 로그 염기 10으로 계산됩니다.
산 또는 염기의 강도는 물에서 접합 이온으로 해리하는 능력에 의해 결정됩니다. 강산과 염기는 물에서 완전히 해리되는 반면 약산과 염기는 그렇지 않습니다. 산성 강도는 해리 상수 Ka를 ...