화학 고2 역동적인 화학 반응

중화 적정

Q: 약산을 강염기로 적정할 때도 같은 공식을 쓰나요?

네. 약산이라도 결국 완전히 중화되면 내놓은 H+의 총 몰수는 nMV로 같습니다. 강산인지 약산인지는 당량점의 pH와 어떤 지시약을 골라야 하는지를 바꿀 뿐, 소비 부피 계산은 바꾸지 않습니다.

농도를 아는 산(또는 염기) 표준 용액으로 미지 염기(또는 산)의 농도를 결정하는 정량 분석법이다.

농도를 정확히 아는 표준 용액을 조금씩 떨어뜨려, 중화에 쓰인 부피로부터 농도를 모르는 산이나 염기의 농도를 알아내는 정량 분석법입니다.

저울 없이 무게를 재는 방법과 같습니다. 무게를 아는 추를 하나씩 얹어 균형이 맞는 순간을 보고 반대편 무게를 알아내듯, 농도를 아는 용액을 넣다가 딱 중화되는 순간의 부피를 읽습니다.

쉽게 말하면

적정이 성립하는 이유는 중화 반응의 관계식 하나 때문입니다.

$n_{산} M_{산} V_{산} = n_{염기} M_{염기} V_{염기}$

이 식에는 미지수가 넷 있습니다. 그 중 셋을 알면 나머지 하나가 결정됩니다. 표준 용액의 몰 농도 $M$ 과 가수 $n$ 은 알고 있고, 미지 용액의 부피 $V$ 는 피펫으로 정확히 재서 넣었으니 알고 있습니다. 그렇다면 남은 미지수는 미지 용액의 농도 하나뿐 — 뷰렛에서 흘러나간 표준 용액의 부피만 읽으면 계산이 끝납니다. 몰농도를 자유롭게 쓸 수 있어야 여기서 막히지 않습니다.

실험의 모든 장치는 '부피를 얼마나 정확히 읽느냐'를 위해 있습니다. 뷰렛은 흘려보낸 부피를 $0.1 mL$ 단위까지 읽기 위한 것이고, 피펫은 미지 용액의 부피를 정확히 옮기기 위한 것입니다. 삼각 플라스크는 흔들어도 튀지 않는 모양이라 씁니다.

딱 중화된 순간은 눈에 보이지 않으므로 지시약을 씁니다. 색이 변하는 순간에 멈추는데, 이 지점을 종말점이라 하고 이론상 정확히 중화된 지점을 당량점이라 합니다. 둘이 최대한 가깝도록 지시약을 고르는 것이 실험의 성패를 가릅니다 — 자세한 이야기는 당량점과 지시약에서 다룹니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

식초 속 아세트산의 농도 구하기

$1 \times M \times 10 = 1 \times 0.1 \times 25 \Rightarrow M = 0.25 M$

식초 $10 mL$ 를 삼각 플라스크에 넣고 $0.1 M$ 수산화 나트륨 표준 용액을 떨어뜨려 $25 mL$ 에서 색이 변했다면, 아세트산의 농도는 $0.25 M$ 입니다. 아세트산은 약산이지만 1가 산이므로 $n = 1$ 을 그대로 씁니다.
예시 2

황산을 적정할 때는 가수를 잊지 말 것

$2 \times M \times 10 = 1 \times 0.2 \times 20 \Rightarrow M = 0.2 M$

$H_{2} S O_{4}$ 는 2가 산이므로 $n = 2$ 입니다. 이것을 1로 두면 농도가 정확히 두 배로 틀립니다. 적정 계산에서 가장 자주 어긋나는 지점입니다.
예시 3

삼각 플라스크에 증류수를 더 부어도 결과는 같다

미지 용액이 든 삼각 플라스크에 증류수를 조금 더 넣으면 농도는 묽어지지만, 그 안에 든 $H^{+}$ 의 몰수는 전혀 변하지 않습니다. 적정은 몰수를 맞추는 실험이므로 소비된 표준 용액의 부피도 그대로입니다. 실제 실험에서 플라스크 벽에 묻은 용액을 증류수로 씻어 내리는 것이 허용되는 이유가 이것입니다.

순서대로 하면

중화 적정 실험 순서

1농도를 모르는 용액을 피펫으로 정확히 재어 삼각 플라스크에 넣습니다.
2지시약을 두세 방울만 떨어뜨립니다. 많이 넣는다고 정확해지지 않습니다.
3뷰렛을 표준 용액으로 두세 번 헹군 뒤 채우고, 처음 눈금을 읽어 적어 둡니다.
4표준 용액을 조금씩 떨어뜨리며 삼각 플라스크를 계속 흔듭니다. 끝에 가까워지면 한 방울씩 넣습니다.
5색이 변해 흔들어도 되돌아가지 않는 순간 멈추고, 나중 눈금을 읽습니다. 두 눈금의 차가 소비된 부피입니다.
6 $n_{산} M_{산} V_{산} = n_{염기} M_{염기} V_{염기}$ 에 대입해 미지 농도를 구합니다.

자주 하는 오해

뷰렛도 증류수로 헹구고 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움유리 기구는 다 깨끗해야 하니 뷰렛도 증류수로 헹궈 물기가 남은 채로 표준 용액을 채운다

실제로는뷰렛과 피펫은 그 안에 담을 용액으로 헹궈야 합니다(공세척). 삼각 플라스크만 증류수로 헹궈도 됩니다.

뷰렛 안에 물기가 남으면 표준 용액이 그만큼 묽어져, 실제 농도가 표시된 농도보다 낮아집니다. 그러면 중화에 필요한 부피가 더 많이 들고, 계산된 미지 농도는 실제보다 크게 나옵니다. 반면 삼각 플라스크의 물기는 미지 용액을 묽게 만들 뿐 몰수를 바꾸지 않으므로 결과에 영향이 없습니다. '깨끗하게'가 아니라 '몰수가 변하는가'를 기준으로 판단해야 합니다.

농도가 진하면 적정에 더 많은 표준 용액이 든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움미지 용액을 물로 묽혔더니 농도가 낮아졌으니, 중화에 쓰이는 표준 용액도 줄어들 것이다

실제로는미지 용액을 묽혀도 그 안의