텔레비전, 신문, 광고판 심지어 음료수에도 산성도라는 말을 심심치 않게 볼 수 있다. 이렇게 우리 주변에 흔히 사용되는 산성도는 무엇일까? 산성도는 수용액의 수소이온의 농도를 상대적 수치로 나타낸 것이다. 어떤 생물체라도 살아가기 위해서는 각 소세포 구역 내의 pH를 조절해서 효소-촉매 반응들이 적당한 속도로 진행되도록 해준다. 이러한 pH에 따라 생물학적계의 기능에 크게 의존되기 때문에 많은 생화학자들이 완충용액에 대한 관심이 높다. 본 실험에서는 각 단계의 pH용액 제조와 일반 염기성 용액, 완충용액의 염기액을 산으로 적정시켜 둘 사이의 어떠한 차이가 있는지 알아보자.
실험 기구 및 시약
1. 실험 재료
1) 염산 용액, 수산화나트륨 용액, 비이커, 피펫, 필러, 지시약, 베이킹소다, 증류수
실험 방법
1. 지시약과 pH
1) 염산 0.1M의 pH는 1이다.
2) pH 1을 10배씩 희석하여 pH 2를 만들고, 같은 방법으로 pH 7까지 희석시킨다.
3) 수산화나트륨의 1M은 pH 14이다.
4) 이것을 증류수로 10씩 희석하여 pH 14 ～ pH 7까지의 용액을 만든다.
5) pH 용액이 든 시험관에 페놀레드 지시약을 한 방울씩 떨어뜨려 색을 판별해 본다.
6) 위의 지시약 색이 든 시험관은 다음 pH 적정시험에 표준 색으로 사용한다.
2. 완충액과 적정곡선
1) 1개의 비어커에 1g 베이킹소다를 넣고 250㎖의 물에 녹인다.
2) 2개의 비이커에 각각 20㎖씩 넣고 베이킹 소다의 pH를 잰다. (pH는 약 8.3이다.)
3) 하나의 비이커에는 페놀레드를 한방울 떨어뜨린다. 다른 하나의 비이커는 그냥 사용한다.
4) 1개의 비이커에는 물 20㎖를, 다른 1개의 비이커에는 NaOH 0.1M 용액 20㎖를 넣어준다. 페놀레드를 한방울 떨어뜨린다.
5) 베이킹 소다 용액 2개, 물, NaOH 용액이 든 비이커에 0.1M HCl을 1㎖ 씩 넣어주면서 pH 변화를 잰다. (지시약이 든 비이커의 색의 변화와 pH 페이퍼를 비교하면서 진행하면 pH변화를 더욱 쉽게 알아볼 수 있다.)
6) 넣어준 염산의 양과 pH 변화를 적은 후, 새로운 종이에 그래프를 그리고 완충 곡선을 그려보자. (X축: HCl의 양, Y축: pH) 베이킹 소다의 완충범위 (산을 넣어주어도 산성도가 잘 변하지 않는 범위)는 어디인가?
실험 결과
1. 지시약과 pH
pH 1부터 pH 6까지 오면서 진한 노란색에서 연노란색으로 색이 변하였다. pH7부터 pH9까 지는 산성인 노란색과 염기성인 붉은 다홍색이 합쳐진 주황 빛을 띠였으며. pH9부터 pH14 까지의 색은 점점 더 붉어지는 다홍색이였다.
2. 완충액과 적정곡선
완충액인 베이킹소다 용액, 수산화나트륨 용액, 증류수의 적정곡선을 비교해 보면 다음과 같다.
1) NaOH : NaOH 용액에 HCl을 넣어 색의 변화를 지켜보니 색의 변화가 미묘하였다. 거의 변화가 없는 듯 하더니 15㎖ 부근에서 급격한 변화가 보이기 시작하였고 HCl의 양을 늘릴수록 색 또한 붉은색에서 묽어지는 변화가 있었으며 마침내 노란 빛을 띠기 시작하였다.
2) 베이킹소다 : 베이킹소다는 처음부터 색 변화의 폭이 컸다. 점점 서서히 색의 변화가 줄어 들고 5㎖가 지나갈 쯤에는 pH의 변화가 대폭 감소하였다.
3) 증류수 : 꾸준한 기울기로, 첨가하는 HCl의 양에 비례하여 산성화가 진행되었다.
실험 고찰
pH1 ～ pH14 까지의 용액을 만들면서 추상적인 색의 단계적 변화는 알 수 있었지만, 확실한 색의 변화를 측정하기에는 모호하였다.
산성(노란색) ↔ 염기성(붉은색)
완충액이라고 생각했던 베이킹소다를 관찰하였을 때 처음에는 변화의 폭이 컸지만, 5㎖를 지나면서 미미한 pH의 변화를 관찰하면서 완충용액임을 확인할 수 있었다. 또한, pH 4를 기점으로 pH의 변화가 다시 시작되는 것을 보니 베이킹소다의 완충범위는 약 pH 4까지 임을 유추 가능하였다. 다음 적정을 하는 실험에서는 pH미터를 이용하거나, pH페이퍼를 이용하여 좀 더 정확한 pH의 변화를 관찰할 계획이다.
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