ph와 완충용액

<pH와 완충용액>

1.서론

<실험목표>

(1)pH미터 사용법에 대해 알아본다.

(2)완충용액에 대해 알아보고 직접 제조한다.

(3)산-염기 적정을 통해 pH변화를 관찰하여 그래프를 그려보고 pK값을 찾아본다.

 

<완충용액(buffer)이란>

용액에 산 또는 염기를 가했을 경우에 일어나는 수소이온농도의 변화를 적게 하는 작용을 완충작용이라 한다. 약산과 그 짝염기의 혼합용액, 또는, 약염기와 그 짝산의 혼합용액으로써 외부로부터 소량의 강산이나 강염기가 가해져도 pH가 크게 변하지 않는 용액을 지칭한다. 1909년 덴마크의 생화학자인 S.P.L. 쇠렌센이 염산 수산화나트륨 글리신 외에 인산 시트르산 붕산 등과 염의 혼합용액에 완충작용이 있다는 것을 처음 발견하고 완충용액을 만들었다. 약산과 그 염의 혼합용액 또는 약염기와 그 염의 혼합용액은 약산과 약염기의 해리특성에 의하여 그 pH가 쉽게 변화하지 않는다. 적당한 산이나 염기를 그들의 염과 조합하면 적당한 pH를 나타내는 완충용액을 조제할 수 있다.

생물에 있어서의 완충작용은 여러 가지 면에서 매우 중요하다. 예를 들면 혈장은 pH의 변화를 0.2 이내로 유지하는 거의 완벽하고 이상적인 완충용액이다. 즉 혈장의 pH는 7.2∼7.3으로 유지되고 있는데 이 pH에서 멀어지면 생명이 유지되지 못한다. 또한 생체 촉매인 효소의 촉매작용도 일정한 pH에서 최대가 된다.

 

<pH미터>

* 원리

pH는 용액의 산성 또는 알칼리성의 정도를 양적으로 나타내는 수단으로 0～14의 수치로 표시하며, 몰/ℓ로 나타낸 수소 이온 농도의 역수의 대수 값이다.

1). pH를 측정하는 방법

a. 산-염기 지시약의 수소 이온 농도에 의하여 변색되는 것을 보고 pH를 결정 한다.

b. pH미터를 이용한 전기적 측정법

2). pH미터는 전극을 사용하는 전기적 pH측정 장치로서, pH 전역에 걸쳐서 측정할 수 있으며, 산화성 및 환원성 물질이나 비수용액뿐만 아니라, 착색된 용액의 pH도 측정할 수 있다.

3). pH미터에 의한 전기적 측정법: 용액 속에 담근 지시 전극(indicator electrode)과 표준 전극(reference electrode)사이의 전위차 측정에 의하여 pH를 결정하는 방법이다.

4). 지시 전극의 특징

a. pH의 변화에 비례하며, 전위가 변한다.

b. 종류: 안티몬 전극, 퀸히드린 전극, 유리 전극(일반적인 측정에 사용)

5). 표준 전극은 수소 전극(hydrogen electrode)이지만 사용하기가 불편하므로, 유리 전극의 내부 전극과 같은 종류, 같은 조성을 가진 포화 칼로멜 전극(calomel electrode)이 쓰이며, 그 특징은 용액의 pH에 따라 일정한 전극 전위를 나타낸다.

 

2. 시약 만들기

1) 0.1M HCl

HCl의 비중 1.18 분자량 36.46 농도 35%

실험을 위해 필요한양 900ml

1180g/1l * 1mol/36.46 * 35/100 = 11.33M (HCl 병 안의 몰농도)

0.1 * 900 = 11.33 * x => x = 7.94

∴ HCl = 7.94ml , 증류수 892.06ml

 

2) 0.1M CH₃COOH

CH₃COOH 비중 1.05 분자량 60.05 농도 99%

1050g/1l * 1mol/60.05 * 99/100 = 17.31M (CH₃COOH 병 안의 몰농도)

실험을 위해 필요한양 900ml * 2

0.1 * 900 = 17.31 * x => x = 5.20

( ∴ CH₃COOH = 5.2ml 증류수 894.8ml ) * 2

 

3) 0.1M NaOH

NaOH의 분자량 40.00

실험을 위해 필요한양 1000ml

∴ NaOH = 4g 증류수 996ml

 

4) 0.1M Glycine

Glycine의 분자량 75.07

실험을 위해 필요한양 600ml

75.07 * 6 / 10

∴ Glycine = 45.04g 증류수 554.96ml

 

5) NaH₂PO₄

NaH₂PO₄의 분자량 156.01

실험을 위해 필요한양 1000ml *2

(∴ NaH₂PO₄ = 15.6g 증류수 984.4ml) * 2

 

6) Na₂HPO₄

Na₂HPO₄의 분자량 141.96

실험을 위해 필요한양 1000ml *2

(∴ Na₂HPO₄ = 14.2g 증류수 985.8ml) * 2

 

7) Sodium acetate

Sodium acetate 의 분자량 82.03

실험을 위해 필요한양 1000ml *2

(∴ Sodium acetate = 8.2g 증류수 991.8ml) * 2

 

3. 재료

시약 ( HCl, NaOH, CH₃COOH, Glycine, NaH₂PO₄, Na₂HPO₄, Sodium acetate)

증류수

매스실린더

pH 측정기

피펫(10ml, 5ml, 2ml)

비커(300ml, 500ml)

마그네틱 바

교반기

 

4. 실험방법

 

1) HCl에 대한 NaOH의 적정

① 멸균된 비커에 0.1M HCl을 100ml를 넣고 pH값을 측정했다.

② NaOH를 피펫을 이용해 10ml씩 9번을 넣으면서 pH값을 관찰하여 기록했다.

③ NaOH를 피펫을 이용해 2ml씩 14번을 넣었다. pH변화를 보면서 NaOH 10ml을 7번 넣 었다.

 

2) CH₃COOH에 NaOH의 적정

①멸균된 비커에 메스실린더를 이용하여 0.1M CH₃COOH을 100ml를 넣고 pH를 측정 했 다.

②피펫으로 NaOH 1ml씩 30번을 넣고 매번 pH값을 기록했다.

③2ml씩 5번을 넣고 매번 pH값을 기록했다.

④5ml씩 4번을 넣고 매번 pH값을 기록했다.

⑤10ml씩 14번을 넣고 매번 pH값을 기록했다.

 

3) Glycine에 대한 NaOH, HCl 적정

 

<1>NaOH

①멸균된 비커에 0.1M Glycine을 100ml를 넣고pH를 측정했다

②피펫을 이용하여 NaOH 5ml씩 10번을 넣고 pH를 측정했다.

③피펫을 이용하여 NaOH 10ml씩 7번 넣고 pH를 측정했다.

④다시 피펫을 이용하여 NaOH 5ml을 6번 넣고 pH를 측정했다.

⑤피펫을 이용하여 NaOH10ml 2번 넣고 pH를 측정했다.

<2> HCl

①멸균된 비커에 메스실린더로 0.1M Glycine을 100ml을 측정해 넣고 pH를 측정했다.

②피펫을 이용하여 HCl 5ml씩 7번을 넣고 pH를 측정했다.

③피펫을 이용하여 HCl 10ml씩 15번 넣고 pH를 측정했다.

④피펫을 이용하여 HCl 5ml을 다시 1번 넣고 10ml씩 17번을 넣고 pH를 측정했다.

 

 

4) buffer 1

0.1M Na₂HPO₄: 0.1M NaH₂PO₄의 비율이 1:10 10:10 10:1 일 때 pH와 그 각각의 용액에 0.1M HCl을 1ml , 4ml , 5ml (총량 10ml)넣었을 때의 pH를 측정

 

<고찰 1>

0.1M HCl 100ml을 0.1M NaOH 로 적정하였을 때의 적정곡선을 나타낸 것이다. 우선 HCl 용액 자체의 pH를 측정한 후 NaOH의 양을 점차적으로 늘려가면서 각각의 pH를 측정한다. 곡선 그래프를 보면 적정 처음과 끝의 pH 변화는 크지 않지만 가운데에서는 급격한 변화가 나타났다. 이는 완충작용을 하던 HCl의 양보다 NaOH의 양이 증가함에 따라 용액속의 급격하게 pH가 변화한 것을 알 수 있다. 완충작용은 적정의 중간점, 즉 pH가 pKa와 같을 때 최대가 된다. 실험 후 오차를 확인하기 위해서 용액의 전체 부피를 메스실린더로 측정하였는데 이론적인 값과 3ml의 차이가 났다. 또한 NaOH과 HCl은 모두 0.1M이라는 같은 농도였고 해리정도가 같다는 가정 하에 NaOH를 100ml 넣었을 때, pH7.0이 되어야 한다. 하지만 실험 결과에서는 pH4.53으로 나타났다. 이는 3차 증류수를 사용하지 않았기 때문이라는 첫 번째 원인과 두 번째는 피펫사용을 잘 하지 못했다는 두 번째 원인을 들 수 있다. 또한 용액의 온도가 일정하지 않아 pH측정의 오차가 발생할 수도 있다고 할 수 있다. 마지막으로 pH측정기의 오차에 의한 원인을 들 수 있다.

<강산-강염기의 적정곡선. 25ml, 0.10M HCl 용액을 0.10M NaOH용액으로 적정.>

위의 그래프는 일반적인 HCl과 NaOH의 적정곡선이다. 평형점에 가까워질수록 소량의 염기를 가해도 pH 곡선이 기울기가 급격하게 변화하게 되는 것을 볼 수 있다. 또한 평형점을 아주 조금만 벗어난 경우에도 소량의 염기에 의해 pH가 매우 급격하게 변하는 것을 알 수 있다. Na+나 Cl-이온은 수화되지 않으므로 평형점에서는 중성이 될 것이며 실제로 이 용액의 pH는 7이다.

<고찰 2>

0.1M CH₃COOH 100ml을 0.1M NaOH로 적정하였을 때 적정곡선을 나타낸 것이다.

곡선 그래프에서 보면 아세트산나트륨과 아세트산의 당량 혼합물에서는 아세트산 또는 아세트산나트륨이 단독으로 존재할 때에 비하여 산 또는 알칼리를 가했을 때 pH 변화가 작다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 어떤 용액에 작은 양의 산이나 염이 첨가 되었을 때 그 용액의 pH 변화를 완화시키는 작용을 할 때 완충작용이라 한다. 적정곡선 전체의 모양을 보면 일정량의 알칼리를 가할 때의 pH변화는 적정의 맨 처음과 맨 끝에서 가장 작고, 가운데에서 가장 크다. 이는 용액이 완충작용을 하다가 어느 일정 양 이후에는 CH₃COOH의 양 보다 NaOH의 양이 증가함에 따라 급격한 pH의 변화가 일어났다는 것을 알 수 있다. 완충작용은 적정의 중간점, 즉 pH가 pKa와 같을 때 최대가 되는데, 일반적인 이론에서는 pH가 4.76일 때 최대가 된다. 하지만 우리의 실험에서는 정확한 변곡점을 찾기가 힘들다. 실험의 결과가 이론적인 값과 다른 이유는 첫 번째로 3차 증류수를 사용하지 않아 용액에 불순물이 들어갔을 경우와 두 번째로 제대로 된 시약을 만들지 못했을 때 그리고 마지막으로 세 번째로 pH측정기의 오차 때문에 발생할 수 있다. 사실 0.1M CH₃COOH 100ml는 pH3으로 알고 있지만 실험에서는 pH4.72가 나타나 약 pH1이상의 오차가 생겼다는 것을 알 수 있었다. 따라서 이번 실험에서 가장 설득력 있는 원인으로는 pH측정기 오차 때문이라 할 수 있다.

<약산-강염기의 적정곡선. 25ml, 0.10M CH3COOH 용액을 0.01M NaOH용액으로 적정.>

위의 그래프는 일반적인 CH3COOH와 NaOH의 적정곡선이다. CH3COOH 자신은 NaOH에 의해 완전히 중화되었을지라도 CH3COONa로부터 생성된 아세테이트 이온은 쉽게 가수 분해되어 수산화이온을 내놓기 때문에 용액은 염기성이 된다.

<고찰 3>

이 실험은 아미노산의 완충작용에 대해서 알아보기 위한 실험이다. 여러 아미노산의 종류 중에서 Glysine을 사용하였다. Glysine에 대한 HCl과 NaOH의 적정에 관한 실험이다.

아미노산은 그들이 관여하는 반응에 따라 산 또는 염기로 작용한다. 0.1M HCl에 용해된 Glysine은 0.1M NaOH와 작용할 때 산의 성질을 띠며 적정곡선에서 2개의 완충영역을 나타낸다. pK는 완충영역의 중간점이며, 적정곡선에 있어서의 변곡점에 상응하는 pH이다. 이론적인 Glysine의 pK₁=2.4, pK₂=9.8이다. 또한 pI는 아미노산이 알짜 전하가 영이 되는 점에서의 pH이다. 간단한 이양자성 아미노산의 pI는 pK값의 중간에 있다. 따라서 이론적인 pI값은 6.1이다. 하지만 실험에서는 이러한 값이 측정되지 않는다. 따라서 정확한 pK값을 구할 수 없었다. 그러한 이유에는 첫 번째로 Glysine용액을 만들었을 때 3차 증류수를 사용하지 않았기 때문에 용액 속 다른 이온들이 포함되어 있기 때문에 순수한 용액이라 할 수 없다. 두 번째 이유로는 pH측정기의 문제이다. pH측정기의 오차 범위가 너무 커서 정확한 pH를 측정할 수 없었다. 마지막으로 실험실 환경의 변화가 컸다. pH값은 온도변화에 따라 달라지는데 실험실 내의 온도가 일정하지 않았고 깨끗한 환경이라 할 수 없기 때문에 실험하는 과정에서 여러 가지 물질이 섞였을 가능성이 크다. 따라서 정확한 실험결과가 나타나지 않았다.

<고찰 4>

이번 실험은 용액의 조성비에 따른 완충작용을 알아보기 위한 실험이다. 이 실험에서는 0.1M의 Na₂HPO₄와 0.1M NaH₂PO₄용액을 사용하였다.

0.1M Na₂HPO₄와 0.1M NaH₂PO₄,즉 HPO₄-와 H₂PO₄-를 적당한 비율로 함유하는 용액은 완충액이 될 수 있다. 이 실험에서는 어느 용액이 완충작용에 더 많이 관여하는 지에 대해 알아보려고 한다. 두 용액을 각 각 1:10, 10:10, 10:1의 비율로 혼합하여 0.1M의 HCl로 적정한다. 첫 번째 1:10으로 혼합한 용액과 두 번째 10:10의 비율로 혼합한 용액에서는 HCl의 양에 따른 변화가 크게 차이나지 않았으나 세 번째 10:1의 비율로 혼합한 용액에서는 그래프에서와 같이 기울기가 확연히 차이나는 것을 볼 수 있었다.

NaH₂PO₄의 농도 즉, H₂PO₄-의 농도가 완충작용에 영향을 미치는 것을 알게 되었다.

이 실험에서 한 가지 아쉬운 점이 있다면 HCl의 양을 최소한 2ml 정도 더 증량 했었더라면 확실한 차이를 나타낼 수 있었을 것이라는 점이다. 확실한 pH의 변화가 나타나지 않았기 때문에 이 실험에서는 정확한 실험결과를 알 수 없다.

<실패한 실험의 고찰>

pH1.53인 0.1M HCl 100ml에 0.1M NaOH로 적정을 한 실험이었다. 같은 농도의 두 용액을 적정하는 것이었기 때문에 NaOH도 약 100ml 일 때 pH7이 되어야 한다. 그러나 이 실험에서 NaOH를 20ml 넣어줬을 때 이미 pH11.45가 되었고 실험에 문제가 있다는 것을 알게 되었다. 두 번째 실험에서의 결과는 이상이 없었기 때문에 0.1M HCl용액의 조성에 대해서 알아보기로 했다. 0.1M의 HCl을 만드는 방법을 알아보기로 했다.

HCl (비중:1.18 , 분자량36.46 , 농도 35% )

1180/1L * 1mol/36.46 * 35/100=11.33M

즉, 주어진 HCl의 농도는 11.33M이다

이때 M₁V₁=M₂V₂라는 식을 사용해서

11.33M * x=0.1M * 900ml

x=7.94

∴7.94ml HCl과 892.06ml의 증류수를 혼합하면 0.1M의 HCl 용액을 만들 수 있다.

그러나 결과적으로 첫 번째 예비실험에서의 계산 착오로 인해 용액을 만들 때 HCl 0.7ml을 넣었기 때문에 0.013M HCl로 실험을 한 것이다.

따라서 0.1M HCl을 다시 제조하여 실험하기로 하였다.