[환경공학, 수질] 경도 보고서 Hardnss - Total hardness / Carcium hardness

Hardnss - Total hardness / Carcium hardness

 

1. Introduction

 경도란 물속에 용해되어 있는 2가 금속이온에 대응하는 CaCO양으로서 mg/l 단위로 표시하며, 물의 세기를 나타낸다.

 

4. Discussion

이번 경도 실험은 경도를 측정하는 방법으로 시료에 암모니아 완충용액을 넣어 pH 10으로 조절하고 0.01M의 EDTA용액으로 적정하고 소비된 EDTA용액으로부터 탄산칼슘의 양으로 환산하여 경도를 구하는 것이다.

이번 실험은 총경도만 측정하고 칼슘경도는 시약이 없어서 실험을 하지 못하였다. 칼슘경도는 총 3회 적정하여 각 적정량은 10.1mL, 14.5mL, 10.0mL이다. 3회 적정시에 변한 색이 모두 조금씩 달랐다.

이론상으로는 적자색에서 청색으로 변하는 것이었는데 우리 조의 실험결과는 적정전 EBT지시약을 넣었을 때 옅은 분홍색으로 변하였다.

처음 1회 적정시에는 보라색으로 2회 적정시에는 짙은 파란색으로 3회 적정시에는 짙은 보라색으로 각각의 종말점에서 다른 색변화를 관찰 가능했다. 이렇게 다른 색변화를 관찰 할 수 있었던 것은 EBT지시약을 한 두 방울 넣고 종말점까지 색변화가 잘 나타나지 않아서 5,6방울 정도로 더 넣었다. 그러니까 바로 색이 보라색 파란색으로 바뀌었다.

따라서 3번 반복하여 적정했지만 시료와 적정액간의 반응양에 따라서 색이 조금 다를 수 있었을 것 같다.

SMALL

▷ 1회 적정 10.1mL(보라색)

경도(mg/L as CaCO) = =0.101mg/L as CaCO

▷ 2회 적정 14.5mL(짙은 보라색)

경도(mg/L as CaCO) = =0.145mg/L as CaCO

▷ 3회 적정 10.0mL(짙은 파란색)

경도(mg/L as CaCO) = =0.100mg/L as CaCO

 

평균값 :  = 0.115mg/L as CaCO

표준편차  = 0.0209841209 = 2.09

적정하여 구한 경도의 평균값을 구하고 나온 표준편차를 보면 시료의 경도는 대략 평균값으로 0.115mg/L as CaCO임을 알 수 있고 표준편차는 2.09 으로 매우 작아서 각 값이 평균에서 가깝고 우리 조의 실험결과가 잘 계산한것을 알 수 있다.

B값을 1로 계산한 이유는 B는 1.00mL EDTA  적정용액에 해당하는 CaCO량(mL)을 뜻한다. 이 값은 농도에 따라 달라지는데 여기서 EDTA농도가 0.01M이고 이 용액 1mL는 CaCO 1mg에 해당하기 때문이다.

총경도와 칼슘경도 측정을 비교해보자면 칼슘경도 측정은 NaOH를 넣어서 Mg(OH)를 침전시키므로 Caff 적정하는 것이고 총경도는 NaOH를 넣지 않아서 칼슘과 마그네슘의 합인 총경도를 측정할 수 있는 것이다.

칼슘경도 실험을 하지 않았지만 칼슘경도 실험에 대하여 조사해본 결과 나타나는 결과들과 해석은 다음과 같다. 칼슘경도 실험에서 1N의 NaOH를 넣어주는 이유는 pH를 12 이상으로 올려서 염기성으로 맞추주기 위함이다. EDTA착물은 중성 또는 알칼리성 용액에서는 안정도가 높고 Mg(OH)가 침전된다. 칼슘경도 실험에서 Cu는 EBBR과 붙어서 적자색이 된다. 그 후에 적정을 위하여 EDTA를 넣는데 구리가 EDTA와 모두 붙으면 남은 EBBR으로 인하여 청색이 되는 것이고 그 때를 종말점으로 측정하는 것이다.

물에서 Fe와 Cu가 있어 방해하는 데 그런 간섭이온을 제거하기 위하여 시안화칼륨 (KCN) 용액을 넣어준다.  Ca, Mg 이외에 다른 2가 양이온과 반응하여 간섭이온을 제거해주는 것이다. KCN은 Masking agent로서 분석물질 중의 어떤 성분이 EDTA와 반응하는 것을 막아주는 시약이다.

 

총경도 실험에서 완충용액을 넣어 pH가 약 100.1정도 되도록 하였는데 pH10에서 이 반응이 가장 잘 일어나기 때문이다. pH10보다 산성에서는 Mg 침전물이 색깔을 나타내지 않고 pH 10 이상에서는 Mg(OH)가 형성되어 적정에 오차를 줄 수 있기 때문이다.

따라서 금속이온이 수산화물 또는 알칼리성 산화물로 침전하는 것을 방지하고 pH를 알칼리로 유지하기 위하여 암모니아 완충요액을 넣는 것이고, 이 때 생성되는 금속의 암모니아 착물은 EDTA착물보다 안정도가 낮기 때문에 EDTA킬레이트 생성을 방해하지 않는 것이다.

또한 완충용액으로 암모니아 완충용액을 사용하였는데 pH10을 맞출 수 있는 다른 어떠한 완충용액이든 상관없다.

총경도 실험에서  EBT를 넣었을 때는 붉은색으로 변했을 것이다. 그 이유는 EBT 지시약을 반응액에 넣으면 반응액 속의 금속인 Cu과 반응해  금속이온과 결합해 1:1의 안정된 착물을 만들어 지시약은 붉은색을 띠는 것이다.

 여기에 EDTA 표준용액을 넣으면 EBT에 결합되었던 금속이온이 EDTA와 결합해 EBT 지시약은 떨어져 나간다. 이로 인해 반응종점에서 용액 색깔은 EBT 본래의 색인 푸른색으로 변한다.

 

EDTA착물의 형성상수가 크며, 형성상수는 금속의 양이온의 전하가 클수록 증가하는 겨양이 있다. Kf는 Y와 금속이온과의 반응에 대한 평형상수이고 낮은 pH에서 EDTA는 Y가 아닌 양성자화 된 형태 중 하나로 존재한다.

 

금속-EDTA 착물의 형성상수
이온	log Kf	이온	log Kf	이온	log Kf	이온	log Kf	이온	log Kf
Li+	2.95	Y3+	18.08	Ti3+	21.3	Ag+	7.20	Ga3+	21.7
Na+	1.86	La3+	15.36	V3+	25.9	Tl+	6.41	Ra2+	7.4
K+	0.8	V2+	12.7	Cr3+	23.4	Pd2+	25.6	In3+	24.9
Be2+	9.7	Cr2+	13.6	Mn3+	25.2	Zn2+	16.5	Tl3+	35.3
Mg2+	8.79	Mn2+	13.89	Fe3+	25.1	Cd2+	16.5	Bi3+	27.8
Ca2+	10.65	Fe2+	14.30	Co3+	41.4	Hg2+	21.5	Ce3+	15.93
Sr2+	8.72	Co2+	16.45	Zr4+	29.3	Sn2+	18.3	Gd3+	17.35
Ba2+	7.88	Ni2+	18.4	VO2+	18.7	Pb2+	18.0	Th4+	23.7
Sc3+	23.1	Cu2+	18.78	VO2+	15.5	Al3+	16.4	U4+	25.7

 

그리고 Ca-EBT는 Kf가 작아서 당량점이전에 변색될 수 있기 때문에 Ca에는 EBT를 사용하지 않지만 Mg의 존재하에 Ca에 EBT를 사용한다.Mg-EBT의 Kf이 Ca-EBT의 Kf보다 크기 때문에 EBT는 Mg과 먼저 결합한다. Ca-EDTA의 Kf 가 Mg-EDTA Kf 보다 더 크기 때문에 EDTA는 Ca와 먼저 결합한다.금속과 리간드의 반응에 대한 평형상수는 형성상수 또는 안정도 상수라고 불리며 Kf라고 표시한다.

 

 

 

5.  References

1) 이종혁 저 / 수질환경 기사 및 산업기사 필기 / 세진사/ p52-53