일반화학실험 | 지시약의 pka

 

 

 

TIP

 

 

본 실험에서 먼저, 다양한 pH에서의 HIn과 In¯의 흡광도를 얻고, Beer's law를 이용해 각 pH의 HIn과 In¯의 몰농도를 2가지 방법으로 알아낸다.
산해리 평형에 관한 Henderson-Hasselbalch 식은 화학에서 아주 유용하다. 본 실험에서는 pH에 따른 지시약의 색 변화를 흡광분석기를 사용하여 측정하고 그 결과를 Henderson -Hasselbalch 식에 대입하여 지시약의 pKa를 결정함으로써 약산의 해리를 학습하고, 아울러 흡광분석의 원리를 체험적으로 배운다. 즉, BromopPhenol blue의 pKa 값을 찾아본다.

 

 

 

Henderson-Haselbalch equation

약산에 해당하는 지시약 H_Ind는 수용액에서 해리하여 다음과 같은 평형을 이루게 된다.

 

H_Ind↔ Ind¯ + H⁺

산성형 ↔ 염기성형

 

용액 중의 수소 이온의 농도가 커지면 르샤틀리에의 법칙에 따라 평형이 왼쪽으로 이동하기 때문에 산성형인 H_Ind의 농도가 증가하고 용액은 H_Ind의 색깔을 나타내게 된다. 그러나 수소 이온의 농도가 감소하면 평형이 오른쪽으로 이동하기 때문에 염기성형인 Ind¯의 농도가 증가하여 Ind¯의 색깔이 나타나게 된다.

 

지시약의 해리 반응에 대한 평형상수는 다음과 같이 쓸 수 있다.

 

K_Ind= [Ind¯][H⁺]/[H_Ind]

 

이 식의 양변에 대수를 취하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

 

pH = pK_Ind+ log([Ind¯]/[H_Ind])

 

위 식에 의하면 용액의 pH가 pK_Ind와 같을 경우에는 지시약의 산성 형과 염기성 형의 농도가 같아져서 산성형의 색깔과 염기성형의 색깔이 함께 나타나게 된다. 그러나 산성 형과 염기성 형의 농도가 대략 10배 이상 차이가 나게 되면, 농도가 진한 형의 색깔이 분명히 나타나게 된다. 즉, pH가 pK_Ind/pK_Ind+1보다 커지면 염기성형인 Ind¯의 색깔이 나타나고, pH가 pK_Ind-1보다 작아지게 되면 산성형인 의 색깔이 나타나고 H_Ind의 색깔이 나타나게 된다. 그러므로 지시약의 해리상수 K_Ind를 측정하면 지시약의 색깔이 바뀌는 변색 범위를 알아낼 수 있다.

 

종말점에서는 적정 용액 한 방울 차이로 용액의 pH가 1 이상 차이가 나는 것이 보통이다. 따라서 그 정도의 pH 변화가 있을 때 눈으로 색 변화를 쉽게 감지할 수 있는 것이 좋은 지시약이다. 대부분의 지시약은 한 색에서 다른 색으로 변하는데 그런 경우에는 종말점 부근에서 중간 색이 나타나면 종말점에 도달한 것인지 여부를 판단하기 어려워서 대개는 한 두 방울을 더 가하기 쉽고 그것은 적지 않은 오차를 가져온다.

 

종말점에서 무색에서 갑자기 색이 나타나거나 있던 색이 갑자기 사라지면 종말점을 잡아내기 쉽다. 그런 면에서 pH 8.0 이하에서는 무색, 9.6 이상에서는 핑크색인 페놀프탈레인(phenolphthalein)은 이상적인 지시약이다. 반면에 페놀 레드는 pH 6.5 이하에서는 노란색을 나타내고 7 이상에서는 붉은색을 나타낸다.

 

 

 

실험 방법

실험 1. Bromophenol blue의 pKa

1. 다음과 같이 혼합 용액을 준비한다.

1) 혼합 용액 1 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ 0.1 N HCl 용액

2) 혼합 용액 2 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ pH 3.4 완충 용액

3) 혼합 용액 3 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ pH 3.7 완충 용액

4) 혼합 용액 4 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ pH 4.0 완충 용액

5) 혼합 용액 5 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ pH 4.3 완충 용액

6) 혼합 용액 6 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ pH 4.6 완충 용액

7) 혼합 용액 7 : 2.0 ㎖ 0.1 mM BPB 용액 + 2.0 ㎖ pH 7.0 완충 용액

 

2. 분광계를 이용해서 혼합 용액 1과 7에 대하여 450∼650 ㎚ 영역에서 25 ㎚ 간격으로 흡광도를 측정하고 흡광도가 최대가 되는 영역에서는 5 ㎚ 간격으로 흡광도를 읽는다. 용액은 다시 시험관에 담는다. 혼합 용액 1과 7로부터 각각 HInd와 Ind¯에 대하여 흡광도가 최대인 파장(λmax)을 결정한다.

 

3. 혼합 용액 2∼6에 대하여서는 위에서 구한 두 λmax에서 흡광도를 읽는다.

 

4. 눈으로 보아 혼합 용액 1에 들어있는 HInd형의 색과 혼합 용액 7에 들어있는 Ind¯ 형색의 중간색에 해당하는 pH를 추정한다.

 

5. Beer의 법칙 테스트 : 시험관에서 1.5 ㎖의 혼합 용액 1과 1.5 ㎖ 0.1 N HCl 용액을 섞어서 0.05 mM BPB 용액을 만들고, 두 λmax에서 흡광도를 읽는다. 용액은 다시 시험관에 담는다. 이번에는 0.05 mM BPB 용액 1.5 ㎖와 1.5 ㎖ 0.1 N HCl 용액을 섞어서 0.025 mM BPB 용액을 만들고, λmax에서 흡광도를 읽는다. 마지막으로 0.05 mM BPB 용액 1.5 ㎖와 0.1 mM BPB 용액 1.5 ㎖를 섞어서 0.075 mM BPB 용액을 만들고, λmax에서 흡광도를 읽는다.

 

 

실험 2. 페놀프탈레인의 pKa

1. 다음과 같이 혼합 용액을 준비한다.

1) 혼합 용액 1 : 2.0 ㎖ 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 + 2.0 ㎖ pH 7.0 완충 용액

2) 혼합 용액 2 : 2.0 ㎖ 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 + 2.0 ㎖ pH 8.5 완충 용액

3) 혼합 용액 3 : 2.0 ㎖ 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 + 2.0 ㎖ pH 9.0 완충 용액

4) 혼합 용액 4 : 2.0 ㎖ 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 + 2.0 ㎖ pH 9.5 완충 용액

5) 혼합 용액 5 : 2.0 ㎖ 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 + 2.0 ㎖ pH 9.8 완충 용액

6) 혼합 용액 6 : 2.0 ㎖ 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 + 2.0 ㎖ 0.1 N NaOH 용액

 

2. 분광계를 이용해서 혼합 용액 1과 6에 대하여 450∼650㎚ 영역에서 25㎚ 간격으로 흡광도를 측정하고 흡광도가 최대가 되는 영역에서는 5㎚ 간격으로 흡광도를 읽는다. 용액은 다시 시험관에 담는다. 혼합 용액 6으로부터 Ind¯에 대하여 흡광도가 최대인 파장(λmax)을 결정한다.

 

3. 혼합 용액 1∼5에 대하여서는 위에서 구한 λmax에서 흡광도를 읽는다.

 

4. 눈으로 보아 혼합 용액 1에 들어있는 HInd형의 색과 혼합 용액 6에 들어있는 Ind¯ 형색의 중간 색에 해당하는 pH를 추정한다.

 

5. Beer의 법칙 테스트 : 시험관에서 1.5 ㎖의 혼합 용액 6과 1.5 ㎖ 0.1 N NaOH 용액을 섞어서 0.05 mM 페놀프탈레인 용액을 만들고, λmax에서 흡광도를 읽는다. 용액은 다시 시험관에 담는다. 이번에는 0.05 mM 페놀프탈레인 용액 1.5 ㎖와 1.5 ㎖ 0.1 N NaOH 용액을 섞어서 0.025 mM 페놀프탈레인 용액을 만들고, λmax에서 흡광도를 읽는다. 마지막으로 0.05 mM 페놀프탈레인 용액 1.5 ㎖와 0.1 mM 페놀프탈레인 용액 1.5 ㎖를 섞어서 0.075 mM 페놀프탈레인 용액을 만들고, λmax에서 흡광도를 읽는다.

 

 

 

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