[환경공학,수질] 산도(Acidity) 실험보고서

[환경공학,수질] 산도(Acidity) 실험보고서 

 

 

1. Introduction

이번 산도 실험의 목적은 어떤 산업페수는 산성 금속이온을 함유하고 있기 때문에 이를 중화시키거나, 생물학적 처리를 위한 적정 pH를 알기 위한 것이다. 산도는 알칼리도를 중화시키는 물질의 존재정도를 CaCO로 나타낸 값으로 알칼리도와 반대개념으로 정리한다. 산도는 물 속에 포함되어 있는 탄산, 광산, 유기산 등의 산분의 중화에 이용하는 알칼리분을 이것에 상당하는 탄산칼슘(CaCo3) 양이고, ppm을 이용해 나타낸다.

1ppm을 1도로 한다. 산도는 강염기용액으로 적정함으로써 측정된다.
산도(mg/L as Caco) = A x N x f x 1000/V x50
A : 주입하는 알칼리의 부피(mL)
N : 주입하는 알칼리의 노르말농도(eq/L)
V : 시료양(mL)
50 : Cacos의 g 당량

측정에 이용하는 지시약으로는 메틸 오렌지를 이용한 것과 페놀프탈레인을 이용한 것이 있다. 메틸 오렌지를 이용한 것은 광산에 의한 신도를 나타내므로 광산 산도, 페놀프탈레인을 이용한 것은는 전산분을 나타내므로 전산도 또는 총산도라고 한다.
pnenolphthalein Acidity: P-AE T-산도
-> pH 8.3 이하에서 존재하는 산도
methyl orange Acidity: M-45
-> pH 4.5 이하에서 존재하는 산도

[pH4.5~8.3 사이에는 알칼리도와 산도가 공존한다. 

산도는 크게 탄산가스에 의한 탄산산도와 황산, 질산 등의 무기산에 의한 무기산도로 나눌 수 있다.
수 있다. 자연수 중의 탄산가스는 주로 대기로부터 물속으로 녹아들어가 형성되거나 수중생물의 호흡활동에 의해 생성되는데 특히 지주에는 미생물에 의해 형성된 탄산가스가 대기 중으로 방출되지 못하기 때문에 탄산가스의 농도가 매우 높다. 탄산가스는 물속에 녹아 약산인 탄산을 형성하여 산도의 역할을 하게 된다. 한편 무기산은 여러 종류의 산업폐수로부터 유발되는 황산, 염산, 질산 등의 강산과 폐광 등에서 유발되며 일부 중금속염들도 가수분해하
여 무기 산도를 유발시키기도 한다.
화학평형적으로 탄산은 pH 8.2~8.4 정도가 종말점이며, 무기산은 pH 4.5에서 중화반응이 종결된다. 따라서 탄산은 pH값이 4.5 이상 8.5 이하에서 산도를 가지며 무기산은 4.5 이하에서 산도를 가진다.
산도를 측정하는 이유는 중화에 필요한 용액의 양을 측정하기 위함이고 두 번째는 부식을 방지하고 스케일을 방지하기 위함이다. 스케일(Caco)은 보일러, 열교환기, 발열기내의 전열면에 불 속에 함유되어 있는 칼슘 염류 석출함으로써 부착된 고형물을 말한다. 열전도율을 현저하게 저하시킨다. 마찬가지로 산도가 높을 때나 알칼리도가 높을 때나 발생한다.
많은 종류의 화학 분석은 적정에 의하여 수행할 수 있는데, 이것은 몰농도를 미리 알고 있는 표준 시약을 미지 시료에 가하는 방법이다. 미지 시료와 완전히 반응하는 표준 시약의 부피를 정확히 측정하면, 미지 시료의 농도를 구할 수 있게 된다. 미지 시료와 완전히 반응하는 표준 시약의 부피를 정확히 알기 위해서는 반응이 완결되었을 때 당량점을 알 수 있는 방법이 필요하다. 이러한 목적에 사용되는 것이 지시약이다.
산과 염기가 반응하면 정량적으로 중화되어 염과 물이 생긴다.
CO, + NaOH → Na + Co,
HCl + NaOH → NaCl + H. O
이 때 산(또는 염기)의 농도와 부피를 알면 이와 반응하는 염기(또는 산)의 농도는 쉽게 계산된다. ( NV = NV)

2. Materials & Methods

[실험기구 및 시약]
1) Apparatus :11비커, 25m 피펫, mass cylinder, mass flask, chemical balance.
buret(50mL), magetic stirrer, pipet pump
2) Reagent : Phenolphthalein 지시약, Methyl red-Bromcreseol green(C₂H4OBrS) 혼합 지시약, 황산표준원액 (0.1N), 황산표준용액 (0.02N), 0.1N NO2 CO5

시료(0,005N H₂SO, 용액), 페놀프탈레인 지시약, NaOH 표준용액 (0.02N), 메틸오렌지 지시
약

[실험 방법]
1) 메틸오렌지 산도 측정
① 시료를 100mL 취한 후, B.C.G-MR 혼합지시약을 3방울 가량 넣는다.

그림 1 페놀프탈레인 지시약
산·염기를 구별하는 지시약으로 사용되는 트라이페닐메틸계 색소로서 1871년 바이어가
처음으로 합성했다. 무색에서 열은 노란색을 띠는 흰색 결정으로 적정에 사용된다.

그림 2 B.C. G-MR 혼합지시약 : 메틸 레드와 브로모크레졸 그린을 혼합한 것은
pH 5.4에서 회색을 산성에서는 적색, 염기성 쪽에서 녹색을 띠므로 변색은 분명히한다.

② 색이 변할 때 까지 NaOH 표준용액 (0.02N)으로 적정하여, 소모량을 기록한다.
(적색 -> 푸른색)

2) 페 놀프탈레인 산도 측정
① 1) 실험이 끝난 후, 페놀프탈레인 지시약을 3방울 가량 넣는다.
② 색이 변할 때까지 NaOH 표준용액 (0.02N)으로 적정하여, 소모량을 기록한다.
(푸른색 -> 선홍색)

그림 3 pH미터기를 사용하여
측정한다.

A : 주입하는 알칼리의 부피(mL)
IN : 주입하는 알칼리의 노르말농도 (eg/L)
V : 시료양(mL)
50 : Caco3의 g 당량

① Methylorange 산도
*첫 번째 실험 - 메틸 오렌지 산도 측정
산도 (mg/L as Ca Co.) = 25mL × 0.02eq/ L X1000
100ml
150 = 250 mg/L as CaCO3
* 세 번째 실험 pH미터기로 측정한 실험
pH4.5에서 적정량은 대략 23.8mL이다.

 

3. Results
[결과]
① 첫 번째 실험 B.C.G-M.R 혼합지시약을 넣고 적정한 NaOH 표준용액 (0.02N)은 적정량은 총 25mL이다. 색깔은 B.C.G-M.R 혼합지시약 넣었을 때 적색으로 변하였다. NaOH 표준용액 (0.02N)으로 종말점을 찾았을 땐 푸른색으로 변하였다.
-> 총 적정된 NaOH의 양 : 25mL
그림 4 B.C. G-M.R 혼합지시약을 넣고적색으로 변한 모습이다.
그림 5 NaOH 표준용액 (0.02N)으로 종말점을 찾았을 땐 푸른색으로 변하였다.
-> pH 4.5 이하에서 존재하는 산도
① Methylorange 산도
*첫 번째 실험 - 메틸 오렌지 산도 측정

* 세 번째 실험 - pH미터기로 측정한 실험
pH4.5에서 적정량은 대략 23.8mL이다.

M산도 (무기산도)를 구한 두 실험에서, 직접 눈으로 색변화를 관찰하여 종말점을 찾아서 산
도를 구한 값은 250 mg/L as Cacoa 이고 pH미터기를 통하여 산도를 구한 값은 238mg/L as Cacos가 나왔다.

② phenolphthalein 산도
*두 번째 실험 - 페놀프탈레인 산도 측정

* 세 번째 실험 - pH미터기로 측정한 실험
pH8.3에서 적정량은 대략 25.2mLmL이다.

총산도(P산도)를 구한 두 실험에서는, 직접 눈으로 색변화를 관찰하여 종말점을 찾아서 산도를 구한 값은 265 mg/L as Cacog 이고 pH미터기를 통하여 산도를 구한 값은 252 mg/L as Cacoa가 나왔다. 두 값이 다르게 나오는 이유는 첫 번째 두 번째 실험은 우리가 직접 눈으로 색변화를 관찰해 종말점을 찾았고 세 번째 실험은 기계인 pH미터기를 이
용하여 산도를 구했기 때문에 충분히 값이 다르게 나올 수 있다.

4. Discussion

 

이번 산도 실험의 목적은 어떤 산업페수는 산성 금속이온을 함유하고 있기 때문에 이를 중화시키거나, 생물학적 처리를 위한 적정 pH를 알기 위한 것이다.

 

산도는 지난 시간의 실험 때 했던 알칼리도와는 반대개념으로 알칼리를 중화시키는 물질의 존재정도를 CaCO로 나타낸 값이다. 이번 산도 실험은 저번 실험과 비슷하지만 반대로 하는 것이기 때문에 더 잘 실험이 가능하였다. 다만 색변화는 전과 같이 뚜렷하게 나타난 것은 아니였기 때문에 색깔이 변하는 지점, 종말점을 신중히 찾으려고 노력하였다.

 

첫 번째 실험과 두 번째 실험에서 투입된 황산용액과 pH미터기로 적정한 용액을 비교해 볼 것이다. 첫 번째 실험은 25mL들어가고 두 번째 실험은 25mL+1.5mL=26.5mL 들어갔다.

저번 시간 알칼리도 실험 했을 때 들어갔던 것과는 다르게 들어갔다. 저번 시간에는 그래프 개형이 pH가 높은 곳에서 내려가는 알칼리에서 산성이 되는 그래프였지만 산도는 알칼리도와 반대개념인 것을 알기에 산도 그래프는 그와 달리 pH가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 산성에서 알칼리로 올라가는 개형임을 충분히 예측 가능했다.

 

결과에서 pH미터기로 적정하여 나타낸 표와 그래프는 예상과 같이 나타난 것을 알 수 있다. 그리고 저번 알칼리도 그래프에서는 변곡점이 눈에 보이기 쉽게 딱 2개인 것을 알 수 있었지만 이번 산도 그래프는 변곡점을 눈으로 보기에는 쉽지 않은 모습임을 알 수 있다.

따라서 pH 8.3과 4.5를 기준으로 어떤 변화가 있는지 더 자세히 알기 위해서 원래 그래프 밑에 pH4~10까지 그래프 모습을 확대한 그래프를 한 번 더 집어 넣었다. 확대한 그래프를 자세히 보면 pH4.5의 앞옆에 있는 그래프 개형이 아래로 볼록에서 위로 볼록으로 변하는 모습에서 4.5가 변곡점인 것을 알 수 있고 pH8.3 의 양옆에서도 그래프 개형이 위로 볼록에서 아래로 볼록으로 변하는 모습으로 보아  pH8.3이 변곡점임을 알 수 있고 그 지점에서의 적정량을 구하여 산도를 구할 수 있었던 것이다.

 

색변화에 대한 결과를 다음에서 살펴보자.

시료가 0.005N HSO용액인 황산 용액이므로 산성을 띠고 있었기 때문에 메틸오렌지 지시약을 넣었을 때 붉은 색으로 변한 것을 볼 수 있었다. (메틸오렌지 지시약은 산성에서 붉은 색을 띄기 때문이다.) 그리고 NaOH 표준용액으로 적정하니 푸른색으로 모습을 확인할 수 있었다. 저번 메틸오렌지 알칼리도를 측정하는 실험에서는 청록색에서 붉은색으로 변하였는데 이와 반대로 바뀌는 것을 다시 한번 알 수 있었다.

 

(지난 실험 메틸오렌지 알칼리도 측정 청록색 -> 붉은색

이번 실험 메틸오렌지 산도 측정 적색 -> 푸른색)

 

페놀프탈레인을 넣었을 때는 색변화가 없는 것을 관찰 가능하였다. 페놀프탈레인은 염기성에서만 빨간색을 띠고 중성이나 산성에서는 무색이기 때문이다. 그 후 NaOH 표준용액으로 적정해주니 푸른색에서 보라색으로 변하는 것을 볼 수 있었다. 푸른색에서 보라색으로 변하는 게 순식간이었고 둘다 비슷한 계열의 색깔이기 때문에 눈으로 색변화를 구분하기 어려웠다. 그래도 NaOH 용액 한 방울로 인하여 푸른색에서 보라색으로 변하는 것이 놀라웠다.

 

 산도를 구하는 식은 다음과 같다.

 

50을 곱하는 것 CaCO의 g당량으로  CaCO3 분자량의 100이므로  1몰당 100g인데 2 당량이므로 계산해주면  그러므로 1당량 은 50g인 것이다.

 (      분자량/원자가 = 100/2 = 50g CaCO   )

1,000을 곱해주는 것은 알칼리도를 mg/L로 나타내기 위해 단위환산을 해주는 것이다. V 즉  시료양의 단위가 mL인데 산도는 mg/L이므로 mL를 L로 환산하기 위해서 분자에 1000을 곱해주는 것이다.

NaOH 표준용액(0.02N)으로 적정하였으므로 각 식에서 N = 0.02eq/L이고 시료양은 100mL를 넣었주었으므로 V=100mL이고 A 는 각 실험에서 들어간  NaOH표준용액의 양으로 대입하여 계산해야 한다.

다음은 P-산도와 M-산도를 구한 것이다.

phenolphthalein Acidity : P-산도 = T-산도

           -> pH 8.3 이하에서 존재하는 산도

methyl orange Acidity : M-산도 

           -> pH 4.5 이하에서 존재하는 산도

① Methylorange 산도

*첫 번째 실험 - 메틸 오렌지 산도 측정

 = 250 mg/L as CaCO

*세 번째 실험 - pH미터기로 측정한 실험

pH4.5에서 적정량은 대략 23.8mL이다.

 = 238 mg/L as CaCO

 

M산도(무기산도)를 구한 두 실험에서, 직접 눈으로 색변화를 관찰하여 종말점을 찾아서 산도를 구한 값은 250 mg/L as CaCO이고 pH미터기를 통하여 산도를 구한 값은 238 mg/L as CaCO가 나왔다.

 

 

② phenolphthalein 산도

*두 번째 실험 - 페놀프탈레인 산도 측정 = 265 mg/L as CaCO

*세 번째 실험 - pH미터기로 측정한 실험

pH8.3에서 적정량은 대략 25.2mLmL이다.

 

=252mg/L as CaCO

 

총산도(P산도)를 구한 두 실험에서는, 직접 눈으로 색변화를 관찰하여 종말점을 찾아서 산도를 구한 값은 265 mg/L as CaCO이고 pH미터기를 통하여 산도를 구한 값은 252 mg/L as CaCO

가 나왔다. 두 값이 다르게 나오는 이유는 첫 번째 두 번째 실험은 우리가 직접 눈으로 색변화를 관찰해 종말점을 찾았고 세 번째 실험은  기계인 pH미터기를 이용하여 산도를 구했기 때문에 충분히 값이 다르게 나올 수 있다.

 

 

 

 

5.  References

 

 

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