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제4강의실
리트머스 시험지와 페놀프탈레인 용액으로 용액 분류하기
서울 신명초등학교 김기명
서울 동자초등학교 심병주
1. 이실험은요
초등학교 5학년 2학기 용액의 성질 단원으로 우리 주변의 여러 가지 용액을 리트머스 종이와 페놀프
탈레인 용액을 이용하여 산성 용액과 염기성 용액으로 분류해보는 활동입니다.
2. 안전해요
가. 여러 가지 용액(특히 염산이나 수산화나트륨 용액)이 피부나 옷에 묻지 않도록 한다.
나. 암모니아수는 독한 냄새가 나기 때문에 너무 가까이서 냄새를 맡지 않도록 한다.
3. 필요해요.
여러 가지 용액(묽은 염산, 묽은 수산화나트륨, 사
이다, 암모니아수, 식초, 비눗물), 리트머스종이(붉은색,
푸른색), 가위, 핀셋, 아크릴판(5㎝×10㎝), 24홈판, 스포이
트, 안내판, 페놀프탈레인 용액, 풀
4. 어떻게 할까요.
가. 활동 1 : 리트머스 종이를 사용하여 용액 분류하기
(1) 안내판 위에 유리판을 올려놓는다.
(2) 붉은색과 푸른색의 두가지 리트머스 종이를 준비한다.
(3) 핀셋으로 한 장씩 집어 낸다.
(4) 길이가 2㎝ 정도 되도록 잘라 각각 6개씩 만든다.
(5) 유리판 위에 왼쪽에는 붉은 리트머스 종이를, 오른쪽에
는 푸른색 리트머스 종이를 차례대로 올려 놓는다.
(6) 면봉을 이용하여 각각의 리트머스 종이위에 용액을 묻
힌 후, 색깔변화를 관찰한다.
나. 활동 2 : 페놀프탈레인 용액을 이용하여 용액 분류하기
(1) 안내판 위에 24홈판을 올려 놓는다.
(2) 24홈판에 안내판의 지시대로 묽은 염산, 묽은 수
산화나트륨, 사이다, 암모니아수, 식초, 비눗물을
담는다.
(3) 스포이트를 이용하여 각각의 용액에 페놀프탈레
인 용액을 떨어뜨린 후 색깔 변화를 관찰한다.
5. 생각해 볼까요
가. 산성 용액에는 어떤 것이 있는가?
나. 염기성 용액에는 어떤 것이 있는가?
다. 다른 방법으로 산성 용액과 염기성 용액을 알 수 있는 방법은 무엇인가?
【아크릴판을 안내판위에 놓은 모습】
【24홈판을 안내판위에 놓은 모습】
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(6) 학생 보고서
리트머스 시험지와 페놀프탈레인 용액으로 용액 분류하기
학년 반 번 조 이름 : _________
가. 각 용액을 묻힌 리트머스 종이를 붙이고, 색깔을 적어보자.
용액 붉은 리트머스 종이 푸른 리트머스 종이
묽은 염산
묽은 수산화나트륨용액
사이다
암모니아수
식초
비눗물
나. 페놀프탈레인 용액을 떨어뜨렸을 때의 색깔이 어떻게 변화되었는지 적어보자.
용액 묽은 염산
묽은
수산화나트륨
용액
사이다암모니
아수식초 비눗물
페놀프탈레
인
용액
표
2
다. 색깔 변화가 같은 용액끼리 묶어 보자.
7. 교육과정
5학년 2학기 2.용액의 성질 단원의 2차시분이다. 1차시에서 우리의 오감각을 이용하여 우리 주변의 여
러 가지 용액을 기준을 정하여 분류해 보는 활동을 한 이후에 이루어지는 과정이다. 이번 차시에서는
‘산성용액’과 ‘염기서 용액’이라는 개념을 리트머스 종이와 페놀프탈레인 용액을 이용하여 알아보는데, 푸
른 리트머스 종이의 색깔을 붉게 변화시키고, 페놀프탈레인 용액을 넣었을 때 색깔이 변화하지 않는 용
액은 산성용액으로, 붉은 리트머스 종이의 색깔을 푸르게 변화시키고, 페놀프탈레인 용액을 넣었을 때의
색깔이 붉게 변하는 용액은 염기성 용액으로 정의하고 있다.
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8. 지도상 유의점
가. 여러 가지 용액(특히 염산이나 수산화나트륨 용액)이 피부나 옷에 묻지 않도록 한다. 또한, 안전을
위하여 보안경을 쓰고 실험을 할 수 있도록 한다.
나. 암모니아수는 독한 냄새가 나기 때문에 너무 가까이서 냄새를 맡지 않도록 한다.
다. 중성 용액은 ‘5 용액의 반응’ 단원에서 도입되는 내용으로 용어에 대한 지도는 하지 않는다.
라. 여러 가지 용액이 서로 섞이지 않도록 24홈판 깊이의 1/2～2/3정도만 용액을 넣는다.
마. 활동1에서 나온 리트머스 종이 시험지는 학생용 보고서에 사용되기 때문에 별 문제가 되지 않으
나, 활동 2에서는 폐수가 나오게 되는데, 이것은 폐수통에 별도 분류․보관하였다가 나중에 정기적
으로 버릴 수 있도록 한다.
9. 실험 시간
가. 교사 준비시간 : 여러 가지 용액을 준비하는데 시간이 걸릴 수 있다.
나. 어린이 실험 시간 : 활동 1의 경우 10분정도, 활동 2의 경우 5분 정도 소요되며, 실험 결과
정리에도 각각 2～3분이 소요된다.
10. 준비물
가. 이 실험에 사용하는 묽은 염산의 농도는 0.1M정도가 적당하다. 시판되는 진한 염산의 농도는 12M
이므로 실험에 사용할 때에는 1/120로 희석하여 사용하면 된다. 즉 증류수 119mL에 진한 염산
1mL를 넣으면 된다.
나. 이 실험에 사용하는 묽은 수산화나트륨의 농도는 0.1M 정도가 적당하다. 수산화나트륨 4g을 정확
히 달아 1L들이 눈금 플라스크에 옮기고 증류수를 약 200mL 넣은 다음, 잘 흔들어 주면서 완전히
녹인다.
다. 페놀프탈레인 용액은 백색 결정의 페놀프탈레인을 구입하여 알코올에 용해시켜 사용하면 매우 경
제적이다. 고체 페놀프탈레인 0.1g을 에탄올 (95%) 9mL에 용해시킨 다음, 여기에 물을 넣고
100mL가 되게 하여 사용한다. 또는 고체 페놀프탈레인 1g을 알코올(60%) 100mL에 녹여 그대로
사용해도 된다.
다. 암모니아수는 묽게 만들어 사용하도록 한다.
11. 도움말
가. 산성과 염기성의 세기는 그 용액 속에 포함된 H+나 OH-의 농도에 따 라 결정된다. 이것을
나타내기 위하여 사용하는 것이 pH이다.
(1) 산성 용액 : pH〈 7.0
(2) 중성 용액 : pH = 7.0
(3) 염기성 용액 : pH 〉7.0
나. 중성 용액의 색 변화
(1) 붉은 리트머스 종이 : 변화 없음.
(2) 푸른색 리트머스 종이 : 변화 없음.
(3) 페놀프탈레인 용액 : 변화 없음.
다. 리트머스 종이
리트머스는 지중해 지방에서 자라는 이끼 식물이다. 리트머스 종이는 이 이끼에서 색소를 뽑아내어
종이에 물들여 만든 것으로, 리트머스 종이에는 붉은 색과 푸른 색 두 가지가 있으며, 용액이 산성이면
푸른 리트머스 종이가 붉은 색으로 변하고, 염기성이면 붉은 리트머스 종이가 푸른색으로 변한다. 리
트머스 종이는 우연한 발견을 그냥 지나치지 않은 한 과학자의 끈질긴 연구 산물이다. 영국의 과학자
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보일은 황산을 만드는 실험을 하던 중 실수로 바이올렛 꽃잎에 황산이 묻었다. 그는 황산이 묻은 꽃잎
을 씻어 주려고 물 속에 담가 두었는데 잠시 후 보라색 바이올렛 꽃잎이 빨갛게 변하는 것이었다. 혹시
나 하고 다른 산을 바이올렛 꽃잎에 떨어뜨려 보았더니 역시 빨갛게 변하는 것이었다. 그 당시만 하더
라도 어떤 용액이 산성을 띠는지 아닌지를 알아내는 방법이 없었던 터라 보일은 마음먹고 이 일에 매달
렸다.
그는 다른 연구원들과 함께 여러 가지 약초와 튤립, 배꽃, 리트머스 이끼 등의 추출액을 만들어 실
험해 보았다. 그 중 리트머스가 산성 용액과 염기성 용액을 구별하는 데 가장 효과적임을 알아내었다.
12. 모범 답안
가. 활동 1 : 리트머스 종이를 사용하여 용액 분류하기
용액붉은
리트머스 종이
푸른
리트머스 종이
묽은 염산아무
변화없음.붉게 변함
묽은
수산화나트륨용액
푸르게
변함
아무
변화없음.
사이다아무
변화없음붉게 변함
암모니아수푸르게
변함
아무
변화없음.
식초아무
변화없음붉게 변함
비눗물푸르게
변함.
아무
변화없음.
나. 활동 2 : 페놀프탈레인 용액을 이용하여 용액 분류하기
용액 색깔 변화
묽은 염산 변화 없음.
묽은
수산화나트륨용액붉게 변함
사이다 변화 없음.
암모니아수 붉게 변함
식초 변화 없음.
비눗물 붉게 변함
다. 색깔 변화가 같은 용액끼리 묶어보기
묽은 염산
사이다
식초
묽은 수산화나트륨 용액
암모니아수
비눗물
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13. 참고 문헌
교육부(2002). 교과서 과학 5-2. 서울 : 대한교과서 주식회사
-----(2002). 교사용 지도서 과학 5-2. 서울 : 대한교과서 주식회사
http://chemmovies.unl.edu/Chemistry/SmallScale/SS000.html
http://www.smallscalechemistry.colostate.edu/
14. 기존 실험과 SSC 적용 실험의 비교
기존 실험 SSC 적용 실험
준비물
여러 가지 용액(묽은 염산, 묽은 수
산화나트륨, 사이다, 암모니아수, 식초,
비눗물), 리트머스종이(붉은색, 푸른색),
가위, 핀셋, 유리판, 시험관 6개, 시험관
대, 유리막대, 페놀프탈레인 용액, 스포
이드, 풀
여러 가지 용액(묽은 염산, 묽은 수
산화나트륨, 사이다, 암모니아수, 식초,
비눗물), 리트머스종이(붉은색, 푸른색),
가위, 핀셋, 아크릴판(5㎝×10㎝), 24홈
판, 스포이트, 안내판, 페놀프탈레인 용
액, 풀
시약의 양- 한 시험관에 40mL 정도의 시약이
필요하며 6개이므로 240mL가 된다.
- 1-2mL의 시약이 필요하며 총
24mL가 된다.
실험시
- 모둠 활동이 되기 때문에 활동에
참여하는 학생과 참여하지 않는 학생
이 생길수 있다.
- 모든 학생들이 활동에 참여할 수
있으며, 직접 실험의 주체가 된다.
실험 인원 - 대부분 6인 1조가 된다. - 개별실험이다.
실험후
처리
-시약의 낭비가 많고, 부주의시 환경
에 많은 영향을 준다.
- 시약의 양이 적어 시약의 낭비가
없고, 환경에 영향을 적게 준다.
안전성
-시험관이 유리로 되어 있고, 묽은
염산이나, 암모니아수 같은 경우 다량
이므로 부주의 할시 신체에 묻을 수
있다.
- 기구가 깨지거나 시약을 흘릴 우
려가 없다.
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요오드화납 앙금 생성반응 : 일정성분비의 법칙
서울 서일중 홍 현수
1. 이 실험은요
물질의 변화에는 물리적 변화와 화학적 변화,즉 화학반응이 있다. 화학반응에 의해 화합물이 생성될
때 반응물 사이의 일정한 질량비가 성립한다. 이를 일정성분비의 법칙이라 한다. 이 실험에서 질산납 수
용액과 요오드화칼륨 수용액이 반응하면 노란색의 요오드화납이라는 화합물이 생성된다. 질산납과 요오
드화칼륨의 양을 각각 다르게 했을 때 생성되는 요오드화납 앙금의 양을 비교하여 일정 성분비의 법칙
이 성립함을 확인할 수 있다.
2. 안전해요
가. 질산납을 흡입하거나 눈, 피부등에 접촉하면 매우 유독하므로 주의한다.
나. 질산납을 사용한 후에는 반드시 손을 비누로 씻도록 한다.
다. 만일 질산납이 눈에 들어갔을 때는 눈을 가끔씩 깜박이면서 다량의 물로 씻고 의사의 검진을 받
도록 하며 피부에 접촉했을 때는 즉시 오염된 의복과 신발을 벗고 다량의 흐르는 물로 오염물이
남아 있지 않을 때까지 씻어낸다.
라. 사용한 용액 속에는 중금속이 포함되어 있으므로 폐기물 통에 보관한 후 처리한다.
3. 필요해요
96 평면 홈판, 투명빨대 6개, 빨대뚜껑 6개, 10% 질산납 수용액, 10% 요오드화칼륨
수용액, 자
4. 어떻게 할까요
가. 빨대를 이용하여 96 평면 홈판에 그림과 같이 장치한다.
나. 각 빨대에 질산납 수용액을 12방울씩 떨어뜨린다.
다. 각 빨대에 다음과 같은 양의 요오드화 칼륨 수용액을 넣고 잘 흔들어 섞어 준 다.
구 분 A B C D E F
질산납 수용액(방울) 12 12 12 12 12 12
요오드화칼륨
수용액(방울)0 4 8 12 16 20
증류수 20 16 12 8 4 0
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라. 각 빨대 속에 생긴 앙금의 높이를 측정하여 기록하고, 요오드화칼륨 수용액의 부피와 생성된 앙
금의 높이를 그래프로 나타낸다.
5. 생각해 볼까요
가. 질산납 수용액과 요오드화칼륨 수용액을 섞으면 어떤 변화가 생기는가?
나. 질산납 수용액과 요오드화칼륨 수용액의 반응은 물리적 반응인가? 화학적 반응인가? 그렇게 생
각하는 이유는 무엇인가?
다. 각 시험관에 증류수를 넣는 이유는 무엇인가?
라. 생성된 노란색 앙금의 높이로 질량을 비교할 수 있다. 그 이유는 무엇인가?
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요오드화납 앙금 생성반응 : 일정성분비의 법칙
학년 반 번 조 이름
1. 각 빨대 속에 생긴 앙금의 높이를 측정하여 아래의 표에 기록한다.
요오드화칼륨
수용액(방울)0 4 8 12 16 20
앙금의 높이(mm)
2. 요오드화칼륨 수용액의 부피와 생성된 앙금의 높이를 그래프로 나타내도록 한다.
요도드화칼륨
수용액 부피
(방울)
앙금의 높이(cm)
3. 요오드화칼륨 수용액의 양이 증가함에 따라 앙금의 높이가 높아진다. 그 까닭은
무엇이지 토의해 보자.
4. 요오드화칼륨 수용액의 양이 일정량 이상이 되면 앙금의 높이가 더 이상 변하지
않는다. 그 까닭은 무엇인지 토의해 보자.
7. 교육과정
이 실험은 국민공통기본교육과정 제 9학년(중학교 3학년) 4단원 물질변화의 규칙성의 일정성분비의
법칙에 적용된다. 화학반응은 초등학교에서 산성용액에 금속을 넣을 때 수소기체가 발생하는 반응을 다
루지만 화학적 변화의 개념으로 발전하지 않으며 특히 정량적 학습은 이루어지지 않는다. 7학년과 8학
년 과정에서 상태변화와 관련된 물리적 변화를 학습하고 9학년에 화학적 변화를 학습하게 된다. 이 실
험은 화학반응 중 앙금생성반응의 예로서 뿐만 아니라 화합물에서 일정성분비의 법칙을 확인할 수 있
다.
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8. 실험상 유의사항
가. 질산납을 흡입하거나 눈, 피부등에 접촉하면 매우 유독하므로 주의한다.
나. 질산납을 사용한 후에는 반드시 손을 비누로 씻도록 한다.
다. 만일 질산납이 눈에 들어갔을 때는 눈을 가끔씩 깜박이면서 다량의 물로 씻고 의사의 검진을 받
도록 하며 피부에 접촉했을 때는 즉시 오염된 의복과 신발을 벗고 다량의 흐르는 물로 오염물이
남아 있지 않을 때까지 씻어낸다.
라. 사용한 용액 속에는 중금속이 포함되어 있으므로 폐기물 통에 보관한 후 처리한다.
마. 학생들이 반응물질을 빨대에 넣을 때 용액의 방울 수가 부피가 되므로 스포이트로 용액을 떨어
뜨릴 때 같은 부피로 떨어뜨려야 하며, 그 수를 정확히 셀 수 있도록 정밀한 기구조작이 필요하다.
사전에 증류수를 이용해 연습을 할 수 있도록 하는 것도 바람직하다.
9. 실험시간
가. 교사 준비시간 : 1시간
나. 학생 실험시간 : 30분
10. 준비물
가. 10% 질산납 용액
질산납 10g을 증류수에 녹여 용액이 100g(약 100ml)가 되도록 한다.
나. 10% 요오드화칼륨 용액
요오드화칼륨 10g을 증류수에 녹여 용액이 100g(약 100ml)가 되도록 한다.
다. 끝이 막힌 빨대 : 7mm 빨대의 끝부분을 기구를 이용해서 막도록 한다.
11. 도움말
가. 요오드화납의 앙금 생성 반응
요오드화칼륨과 질산납이 반응하면 노란색의 요오드화납 앙금이 생성된다.
2KI + Pb(NO3)2 → 2KNO3 + PbI2 ↓
질산납과 요오드화칼륨은 입자의 개수비 1:2로 반응하며 각 물질의 화학식량은 331, 166이므로, 같은
질량 퍼센트 농도의 용액은 몰 농도가 비슷하여 비슷한 부피비로 반응하게 된다.
요오드화납이 생성될 때 한 물질의 양이 부족하면 요오드화납이 더 이상 생성되지 않는다. 이것은 일
정량의 질산납과 반응하는 요오드화칼륨의 양이 일정하다는 것을 의미한다. 즉, 요오드화납 속의 요오드
성분과 납 성분의 질량비가 일정하다는 일정 성분비의 법칙을 나타낸다.
나. 일정성분비의 법칙(1799년, 프루스트)
두 물질이 반응하여 하나의 화합물을 만들 때 반응하는 두 물질의 질량 사이에는 항상 일정한 비가
성립한다.
12. 정답
가. 각 빨대 속에 생긴 앙금의 높이를 측정하여 아래의 표에 기록한다.
요오드화칼륨
수용액(방울)0 4 8 12 16 20
앙금의 높이(mm)
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나. 요오드화칼륨 수용액의 부피와 생성된 앙금의 높이를 그래프로 나타낸다.
요도드화칼륨
수용액 부피
(방울)
앙금의 높이(cm)
다. 요오드화칼륨 수용액의 양이 증가함에 따라 앙금의 높이가 높아진다. 그 까닭은 무엇이지 토의해
보자.
질산납 수용액의 양이 넣어 주는 요오드화칼륨 수용액의 양보다 많으므로, 요오드화칼륨 수용액
을 많이 넣어 줄수록 생성되는 앙금의 양도 많아지게 된다.
라. 요오드화칼륨 수용액의 양이 일정량 이상이 되면 앙금의 높이가 더 이상 변하지 않는다. 그 까닭
은 무엇인지 토의해 보자.
요오드화칼륨 수용액을 12방울 이상 가해도 앙금의 높이가 일정하므로 질산납 수용액 12방울과 완
전히 반응하는 데 필요한 요오드화칼륨 수용액의 양도 12방울임을 알 수 있다. 요오드화칼륨 수용
액을 12방울 이상을 넣어 주더라도 반응할 수 있는 질산납 수용액이 없으므로, 요오드화납 앙금은
더 이상 생성되지 않아 앙금의 높이가 일정하게 된다. 이것은 요오드화납이 생성될 때 성분 물질
인요오드와 납이 일정한 질량비로 결합한다는 것을 의미한다.
13. 참고자료
가. 과학 중학교 3학년 8종 교과서
나. http://moolynaru.knu.ac.kr/second_middle/01material/01chemi_comp_atom/07i_pb_sediment/index.htm
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SSC 중 : 기체의 확산
경기 율곡중 유 종근
1. 이 실험은요
염산으로부터 나온 염화수소 기체 분자와 암모니아수로보터 나온 암모니아 기체 분자가 이동하여 서
로 만나 새로운 물질인 염화암모늄이 생성된다. 또한 염화수소와 암모니아에 의해 만능지시약 종이가
각각 붉은색과 푸른색으로 변한다. 이와 같은 현상을 통해서 기체분자는 스스로 움직이는 분자운동을
끊임없이 하고 있음을 알 수 있다.
또한, 만능지시약 종이의 색변화 속도와 두 물질의 처음위치에서 염화암모늄이 만들어진 곳까지의 거
리를 통해 기체의 종류에 따라 확산 속도가 다름을 알 수 있다.
2. 안전해요
가. 암모니아수와 염산은 냄새가 심하므로 환기가 잘 되는 곳에서 실험한다.
나. 암모니아수와 염산을 묻힌 솜은 손으로 만지지 않도록 한다.
3. 필요해요
96-둥근 홈판, 진한 암모니아수, 진한 염산, 핀셋, 뚜껑있는 투명 빨대, 유성 사인펜, 1회용 스포이트,
30cm 자, 솜, 만능지시약 종이
4. 어떻게 할까요
가. 투명빨대 2개를 이용하여 아래 그림과 같이 96-둥근 홈판에 장치한다.
나. 투명 빨대 가운데에 만능지시약 종이를 끼운다.
다. 빨대 뚜껑에 적당한 크기의 솜을 넣고 1회용 스포이트로 진한 염산과 진한 암모니아수를 각각 한
방울씩 솜에 떨어뜨린다.
라. 진한 염산과 진한 암모니아를 떨어뜨린 뚜껑을 가까이 가져가 변화를 관찰한다.
마. 각 뚜껑에 만능지시약 종이를 가져가 색변화를 관찰한다.
바. 두 뚜껑을 수평 빨대 양쪽에 동시에 막고 변화를 관찰한다.
사. 긴 투명 빨대에 고리 모양의 연기가 생기면 유성 사인펜으로 그 위치를 표시한다.
아. 양쪽에 있는 솜과 투명 빨대에 표시된 위치까지의 거리를 각각 측정한다.
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5. 실험해볼까요
가. 눈에 보이지 않는 염화수소와 암모니아 분자가 운동한다는 것을 어떻게 알 수 있을까?
나. 염화수소와 암모니아 기체가 만나는 것을 어떻게 확인할 수 있을까?
다. 만능지시약 종이에 염화수소를 가까이 하면 어떤 변화가 관찰되는가?
라. 만능지시약 종이에 암모니아를 가까이 하면 어떤 변화가 관찰되는가?
마. 빨대 안의 염화수소와 암모니아 기체의 운동속도를 비교할 수 있는 방법은 어떤 것이 있을까?
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기체의 확산
학년 반 번 조 이름
1. 다음은 실험에 사용한 빨대를 그려놓은 것이다. 양쪽 끝에 진한 염화수소와 진한 암모니아수를
넣았을 때 흰 연기가 생기는 위치를 표시해 보자.
염화수
소
암모니
아
2. 빨대 안에 흰 연기가 생기는 이유는 무엇인가?
3. 암모니아 분자와 염화수소 분자 중 어느 것이 빨리 움직일까?
4. 진한 암모니아수가 들어 있는 시험관을 시험관대에 꽃아 놓으면 실험실 구석까지 냄새가 난다. 그 이
유는 무엇인가?
5. 빨대 안의 만능 지시약 종이의 색깔은 어떻게 변하였으며, 그 이유는?
7. 교육과정
이 실험은 국민공통기본교육과정 7학년(중학교 1학년) 5단원 분자의 운동에서 분자의 질량에 따라 확
산속도가 달라짐을 알 수 있는 실험이다. 이 실험은 분자운동 중 확산속도와 분자의 질량과의 관계를
알 수 있는 실험이다. 또 만능지시약의 색 변화로 분자의 움직임을 확인하므로 산염기의 개념 또한 포
함되어 있는 실험이다. 그러나 산염기 개념은 분자의 운동을 시각적으로 보다 흥미롭게 확인하기 위한
것이므로 심도있게 다루지 않는다. 또한 초등학교 5학년 과정에서 산염기를 학습하므로 학생들이 이를
이해하기에는 무리가 없다고 볼 수 있다.
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8. 실험상 유의사항
가. 암모니아수와 염산은 냄새가 심하므로 환기가 잘 되는 곳에서 실험한다.
나. 암모니아수와 염산을 묻힌 솜은 손으로 만지지 않도록 한다.
다. 염화수소와 암모니아가 통과하는 빨대가 기울어지지 않고 수평이 잘 유지되도 록 장치한다.
9. 실험시간
가. 교사 준비시간 : 약 40분
(시약을 적당량 나누고, 만능지시약 종이를 빨대에 들어갈 수 있는 적당한 크 기로 잘라 놓
는다.)
나. 실험시간 : 약 30분
10. 준비물
96-둥근 홈판, 진한 암모니아수(물로 희석시키지 말고 시약병에 있는 진한 암모니아수를 그대로 사
용), 진한 염산(물로 희석시키지 말고 시약병에 있는 진한 염산을 그대로 사용), 핀셋, 뚜껑있는 투명 빨
대, 유성 사인펜, 1회용 스포이트, 30cm 자, 솜, 만능지시약 종이
11. 도움말
밀폐된 방 안의 한쪽 구석에 향수를 놓아 두면 잠시 후 향긋한 냄새가 방 안에 퍼지는 것과 같이 기
체 분자는 계속하여 빠른 규칙적인 운동을 하고 있다.
서로 반응하지 않는 두 종류의 기체가 각각 다른 용기에 들어 있을 때, 그 사이의 콕을 열어 방치하
고 잠시 후에 관찰해 보면 양쪽 기체 분자가 서로 균일하게 섞여 균일한 혼합 기체가 된다. 이와 같이
기체 분자가 그 질량과 관계없이 자연스럽게 혼합되어 균일하게 되는 현상을 기체의 확산이라고 하며,
기체 분자가 확산하는 속도를 확산 속도라고 한다.
1831년 그레이엄은 기체의 확산 속도에 관한 정량적인 실험을 한 결과 ‘일정한 온도와 압력에서 두
기체의 확산 속도의 비는 두 기체의 밀도의 제곱근에 반비례한다.’는 사실을 발견하였다. 이것을 식으로
나타내면 다음과 같다.
V A
V B=
d B
d A
일정한 온도와 압력에서 순수한 기체의 밀도는 분자량에 비례하므로 두 기체의 확산 속도의 비는
두 기체의 분자량의 제곱근에 반비례한다고 할 수 있다. 이것을 그레이엄의 확산 법칙이라고 한다.
V A
V B=
M B
M A
기체의 확산은 기체의 분자 운동이 자연히 일어나는 현상이므로 그 확산 속도는 기체 분자의 운동
속도라고 할 수 있다. 모든 기체 분자들은 매우 빠르게 움직이지만 같은 속도로 확산되지는 않는다. 예
를 들면 25℃에서 산소의 평균 속도는 4.6 × 102m/s이고, 수소의 평균 속도는 18.5 × 102m/s이다. 즉 온
도가 같은 경우 분자들의 운동에너지는 같으므로 질량이 작은 분자가 질량이 큰 분자보다 빨리 확산된
다.
12. 모범답
가. 빨대 안에 흰 연기가 생기는 이유는 무엇인가?
암모니아와 염화수소가 반응하여 염화암모늄의 흰 띠가 만들어지기 때문이다.
나. 암모니아 분자와 염화수소 분자 중 어느 것이 빨리 움직일까?
각각의 솜에서 흰 띠까지의 거리를 측정한 결과 암모니아를 묻힌 솜에서 흰 띠 까지의 거리가
더 길었다. 이것은 같은 시간에 더 많이 이동한 것이므로 빨리 움직였다고 할 수 있다.
- 147 -
다. 진한 암모니아수가 들어 있는 시험관을 시험관대에 꽃아 놓으면 실험실 구석까지 냄새가 난다. 그
이유는 무엇인가?
암모니아 분자가 교실 전체에서 자유롭게 운동을 하여 구석까지 퍼진 것이다.
라. 만능 지시약 종이의 색깔은 어떻게 변하였으며, 이유는?
암모니아와 반응한 곳은 푸른색으로, 염화수소와 반응한 곳은 붉은색으로 변하 였다.
13. 참고자료
가. 과학 중학교 1학년 8종 교과서
나. http://chemmovies.unl.edu/chemistry/smallscale/SS028.html
- 148 -
약산과 강염기반응에 의한 적정곡선 및 pH 값 결정하기
서울 강서고등학교 유선호
1. 목표
1) 물의 이온곱과 pH와의 관계를 이해한다.
2) Henderson-Hasselbalch 식을 이용하여 pH를 구한다.
3) 약산을 표준용액인 강염기를 이용하여 적정곡선을 작성하고 pH을 구할 수 있다.
2. 준비물
1) 기구 : 24 홈판, 96 홈판, 7㎜ 빨대 2개, 6㎜ 빨대 4개, 펀치, 흰색 시약병 2개, 핀셋
갈색 시약병 4개, 스포이트 2개, 수액 속도 조절기 1개, 자석 교반기, 칼, 가위,
2) 재료 : 1.00M 아세트산(CH3COOH) 용액, 1.00M 수산화나트륨(NaOH) 표준용액,
페놀프탈레인 용액, BTB 용액
3. 탐구활동 과정
ⅰ) 실험 전 준비 사항
◉ 1.00M NaOH 표준용액 만들기.
보편적으로 염기성 용액인 NaOH, KOH, Ba(OH)2 등은 수분이나 탄산염과 같은 불순물이 함유되어
있으므로 이들 용액은 모두 근사치의 농도를 만든 후에 표준화되어야 한다. NaOH 용액은 유리와 천천
히 반응하여 silicate를 형성하므로, 표준용액을 만들어서 1～2주일 방치하려면 polyethylene 병에 보관하
거나, praffin 막을 입힌 유리병을 사용하여야 한다.
염기를 표준화하는데 사용되는 일차 표준물을 대개 유기산이다. potassium hydrogen phthalate
KHC8H4O4 (KHP) 가 일차 표준물로 주로 사용된다. KHP는 당량무게(equivalent weight)가 크며 비흡
수성(nonhygroscopic) 결정체이므로 분석용 품질을 더이상 정제하지 않고 그대로 사용할 수 있으므로
일차 표준물질이다.
※ 필요한 시약.
NaOH
일차 표준급 potassium hydrogen phthalate KHC8H4O4(KHP)
phenolphthalein 지시약 용액
㉠ 1.00M NaOH 표준용액 만드는 방법
ⓐ NaOH(=분자량 40.00)을 정확하게 2.00 g을 측정하여 50㎖ 비커에 넣은 다음 3차 증류수
를 소량 넣어서 완전히 녹인다.
ⓑ 완전히 녹아 수용액은 50㎖ 메스플라스크에 넣은 다음 표선까지 정확하게 증류수를 첨
가하여 1.00 M NaOH를 얻을 수 있다.
㉡ 0.1M NaOH 용액을 KHP로 표준화하는 방법
ⓐ 일차 표준급 potassium hydrogen phthalate (KHP)를 110℃에서 2시간 말리고 나서,
desiccator 안에 넣어 식힌다.
ⓑ KHP를 0.7～0.9g 취하여 0.2㎎ 까지 정확하게 달아서 250㎖에 넣고 50～75㎖의 증류수
또는 이온수를 가하여 녹이고 나서, phenolphthalein 용액 1～2 방울을 가한다.
ⓒ 표준하하려고 하는 1.00M NaOH 용액으로 지시약의 색깔이 분홍색으로 바뀌어 5～10초
간 유지될 때까지 적정하고, 가해진 부피를 기록한다.
- 149 -
◉ 1.00 M CH3COOH 수용액 만드는 방법
99.7 % CH3COOH 시약을 사용하였으며, 계산한 결과 50㎖의 메스플라스크를 이용하기
때문에 3.0025 g이 필요하지만 순도가 99.7 % 이어서 3.012 g 의 CH3COOH을 정확하게
측정하여 3차 증류수와 함께 50㎖ 메스플라스크 표선까지 첨가하여 1.00M의 CH3COOH을 얻
을 수 있었다.
ⅱ) 본 적정 실험
1) SSC kit 중 24 홈판에 준비한 1.00M 아세트산(CH3COOH) 용액 1.00㎖을 넣기 위해서는
스포이트로 약 31 방울을 넣은 다음 지시약인 phenolphthalein 용액 1 방울을 첨가한다
2) SSC kit 중 96 홈판에 7㎜ 빨대 1개 꽂은 후 펀치를 사용하여 구멍을 뚫고 90°각도로
다시 6㎜ 빨대 1개를 꽂아서 스탠드를 만든다.
3) 수액 속도 조절기를 부착시킨 스포이트에 준비한 1.00M 수산화나트륨(NaOH) 표준용액을
넣고 위에서 준비한 스탠드에 확실하게 고정시킨다.
4) 그리고 1.00M 아세트산(CH3COOH) 용액이 들어있는 24 홈판에 자석을 넣고 준비한
자석 교반기가 작동하는지 테스트를 한 후 수액 속도 조절기로 수산화나트륨(NaOH) 용액을
천천히 1 방울씩 떨어뜨리면서 용액의 색깔이 분홍색으로 변하여 5～10초간 유지할 때까지
적정한다.
5) 중간 중간에 1.00M 수산화나트륨(NaOH) 표준용액을 넣으면서 ｐK a 점에 해당하는 용액의
부피값도 생각해보고, 또 pH 값도 구해본다.
6) 그리고 지시약의 변화로 우리가 원하는 당량점(종말점)에 해당하는 수산화나트륨 용액의
부피를 확인해보고, 또 pH 값도 구해본다.
7) 마지막으로 위 실험을 3회 실시하여 평균값을 구한 후 어느 정도의 pH 값을 얻었으면,
실제로 약산과 강염기반응에 의한 적정곡선을 그려본다.
ⅲ) 예상 답안
1) 1.00M NaOH 표준용액의 방울 수 26 방울 27 방울 26 방울
평 균 값 26.3 방울
2) 예상 pH 값
㉠ 초기 1.00M CH3COOH 수용액의 pH 값은 ?
아세트산의 이온화상수 K a =1.8×10 -5 이므로, [ CH 3COO -]≈[ H 3O+] 이고
K a= [ H 3O
+][ CH 3COO -]
[ CH 3COOH]=
[ H 3O+] 2
[ CH 3COOH ]= 1.8×10 -5
한편 [ CH 3COOH ]≈1.00 M이므로
[ H 3O+]= Ka⋅CHAC= 1.8×10-5×1.00= 1.8×10-5= 4.2×10 -3
pH = - log [ H 3O+] = - log ( 4.2×10 -3) = - log(4.2) - log ( 10 -3)
= -0.62 + 3 = 2.38
㉡ 1.00M NaOH mL 적정했을 때의 pH 값은 ?
- 150 -
ⅰ) CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
ⅱ) CH3COONa → CH3COO- + Na+ (단, CH3COONa은 거의 완전히 이온화함.)
ⅲ) CH3COO- + H2O → CH3COOH + OH-
위 반응에서와 같이 CH3COONa 와 CH3COOH 이 생기게 되어서 완충용액의 역할을 함.
이런 혼합용액의 pH 값을 구하기 위해서는 Henderson-Hasselbalch 식을 이용한다.
[ CH 3COOH ] = 1.00M×1.00㎖-1.00M×NaOH㎖혼합용액의총부피
[ CH 3COO -] = 1.00M×NaOH㎖혼합용액의총부피
pH = ｐK a(HAc) + log[ CH 3COO -]
[ CH 3COOH ]
pH = -log( 1.8× 10 -5) + log
1.00M×NaOH㎖혼합용액의총부피1.00M×1.00㎖-1.00M×NaOH㎖혼합용액의총부피
= 4.74 + log1.00M×NaOH㎖
1.00M×1.00㎖-1.00M×NaOH㎖
㉢ 1.00M NaOH 1.00mL(당량점=중화점) 적정했을 때의 pH 값은 ?
즉, 순수한 CH3COONa 만을 용액에 녹였을 때와 같아서, CH3COONa은 거의 완전히
이온화하므로 CH3COO- 을 생성하여 아래와 같은 반응식을 얻을 수 있다.
CH3COO- + H2O → CH3COOH + OH-
[ CH 3COO -] = 1.00M×1.00㎖혼합용액의총부피=1.00+1.00=2.00㎖
≈0.5M
그리고 [ CH 3COOH ]= [OH-] 이고, [ CH 3COO -] ≈ 0.5 M 이므로
K a=[ H 3O
+][ CH 3COO -]
[ CH 3COOH]=
0.5×[ H 3O+][ OH -]
[ CH 3COOH ][ OH -]=
0.5× K W
[ OH -] 2
=0.5× 1.0 -14
[ OH -] 2 = 1.8×10 -5 ,
[OH-] 2=0.5× 1.0 -14
1.8×10 -5 =2.78× 10 -10
[OH-]= 2.78× 10 -10= 2.78×10-5=1.67×10-5
pOH=-log [OH-]=-log(1.67×10-5)=-log1.67+5=-0.223+5=4.777
pH=14-4.777=9.223
㉣ 1.00M NaOH mL 적정했을 때의 pH 값은 ?
[OH-]≈CNaOH=(혼합용액의총부피(1.00+NaOH㎖))×1.00M-2.00㎖×1.00M혼합용액의총부피(1.00+NaOH㎖)
pOH=- log [OH-]
pH=14-pOH
- 151 -
3) 예상 적정곡선
➜
4. 배경지식
1) 중화 적정
산과 염기가 당량비로 반응하여 중화한다는 것을 이용하여 농도를 알고 있는 산 또는 염기로
부터 농도를 모르는 염기 또는 산의 농도를 구하는 것을 중화적정이라고 부른다
산 또는 염기의 표준용액을 사용하여 농도를 알 수 없는 염기 또는 산을 적정함으로써 정량
분석하는 방법이다. 화학반응 중에서 중화반응은 매우 신속하게 진행되고, 산염기 지시약에 의해
서 중화점을 쉽게 알 수 있기 때문에 산 또는 염기를 정량할 수가 있다. 산의 표준용액을 사용하
여 염기를 적정하는 염기적정과, 염기 표준용액을 사용하여 산을 적정하는 산적정이 있 으며, 산․염기적정이라고도 한다. 산의 표준용액으로는 염산 또는 황산을 사용하고, 염기의
표준용액으로는 수산화나트륨 또는 수산화바륨 등을 사용한다.
2) 물의 이온곱과 pH와의 관계
물은 약한 전해질로서 다음과 같이 해리를 하는데, 한편으로는 물의 자동이온화라 한다.
H2O + H2O ⇄ H3O+ + OH-
K 평형=[ H 3O
+][ OH -]
[ H 2O] 2
임의의 온도에서 이 평형 상수의 값은 순수한 증류수에서의 전도도로부터 계산할 수 있다.
순수한 물에서 물의 농도는 1ℓ의 물의 무게를 물의 분자량으로 나눈 값인 1000÷18≒55.5M
로서 매우 큰 값이다. 그러나 H3O+ 이온과 OH- 이온의 농도는 25℃에서 1×10-7M로서 매우 작으
며, 물의 농도는 일정하다고 볼 수 있다. 따라서 이온화상수는 다음과 같이 나타낼 수 있
다.
(55.5) 2 K 평형= [ H 3O+][ OH -]
그러나 (55.5) 2 K 평형 는 상수가 되므로 이것을 K W 라고 하면
K W= [ H 3O+][ OH -]
25℃에서 K W 의 값은 1×10-14 이다. 이것을 물의 이온곱이라고 한다. 산성용액에서 H3O
+
- 152 -
농도는 비교적 높고, OH- 농도는 이와 상응해서 낮다. 염기성 용액에서는 반대가 된다.
1909년에 덴마크의 생화학자 Sörensen은 pH를 다음과 같이 정의하엿다.
pH = log 1
[ H 3O+]
= - log [ H 3O+]
25℃의 중성 용액에서는, [ H 3O+]=[ OH -]=1.0× 10 -7M 이므로 물의 pH는
pH = log 1
1.0× 10 -7 = 7.0
이다.
pH는 수소이온의 몰농도의 역수의 대수이므로 용액의 pH가 5에서 4로 1단위 만큼 감소하였
다면 수소이온 농도는 10 -5M에서 10 -4M로 10배나 증가하고 pH가 6에서 6.3으로310만큼
증가하였다면 수소이온 농도는 10 -6M에서 5.0×10 -7M로 감소한다.
[ H 3O+]를 간단히 [ H +]로 표시하면 물의 이온곱 K W는
K W= [ H +][ OH -]=1.0× 10 -14
와 같이 된다. 양변의 대수를 취하면,
log [ H +] + log [ OH -] = log 1.0× 10 -14 = -14
-log [ H +] - log [ OH -] = 14
여기서 pH의 정의와 마찬가지로 - log [ OH -]를 pOH 라 정의하면,
pH + pOH = 14
가 된다. 다음은 몇 가지 액체의 pH를 정리하였다.
액 체 pH 액 체 pH
바 닷 물 7 .5 침 6 .3 5 ～ 6 .8 5
혈 장 7 .4 우 유 6 .6
간 액 7 .4 오 줌 5 ～ 8
세포내액 토마토즙 4 .3
근 육 6 .1 포 도 즙 3 .2
간 6 .9 음료수(콜라) 2 . 8
위 액 1 .2 ～ 3 .0 레 몬 즙 2 .3
췌장액 7 .8 ～ 8 .0
3) Henderson-Hasselbalch 식
수소이온 농도는 일반적인 적정법으로 측정할 수 없다. 예를 들면, 같은 부피의 0.1M
CH3COOH 와 0.1M HCl을 적정할 경우, 중화에 소요되는 0.1M NaOH의 양은 같으나, 0.1M HCl의
수소이온 농도는 0.1M인 반면, 0.1M CH3COOH의 수소이온 농도는 0.001M에 지나지 않는다. 이
와 같은 차이는 0.1M HCl은 거의 완전히 해리하는 데 비해 0.1M CH3COOH은 겨
우 그 1%만이 해리하기 때문이다.
일반적으로 아세트산과 같은 약한 산은 다음과 같이 가역적으로 해리한다.
HA + H2O ⇄ H3O+ + A-
정반응과 역반응의 반응속도를 각각 V 1, V 2 라고 하면, 평형상태에서는 V 1= V 2 이므로,
- 153 -
k 1 [ HA][ H 2O ]= k 2 [H 3O+][ A -]
즉,
k 1
k 2
=[ H 3O
+][ A -]
[ HA][ H 2O ]=K
여기서 k 1, k 2 는 각각 정반응가 역반응의 속도상수이고, K 는 이온화상수이다.
묽은 수용액에서의 물의 농도는 다른 성분의 농도에 비하여 훨씬 크므로 실질적으로 일정하
다. 따라서 K×[ H 2O]= K a는 다음가 같이 나타낼 수 있다.
K a= [ H 3O
+][ A -]
[ HA]
또는
[ H 3O+]= K a
[ HA]
[ A -]
위의 식의 양편의 - log 값을 취하면,
- log [ H 3O+] = - log K a - log [ HA]
[ A -]
정의에 따라 - log [ H 3O+] = pH 그리고 - log K a = ｐK a 이므로,
pH = ｐK a + log [ A -][ HA]
이 식을 Henderson-Hasselbalch 식이라고 부른다. 이 식은 산과 그 염(또는 염기와 그 염)의
혼합용액의 pH를 계산하는 데 편리한 식이다. Henderson-Hasselbalch 식은 아세트산과 같 은
약한 산뿐 아니라 암모늄이온, 아미노산에 있는 아미노기의 이온화에도 적용된다.
NH4+ 이온 또는 양성자를 받은 아미노기, 즉 RNH3
+는 산으로서 각각 양성자를 내놓고
염기인 NH3와 RNH2를 생성한다.
NH4+ ⇄ NH3 + H+
RNH3+ ⇄ RNH2 + H+
즉, 아민의 경우는
pH = ｐK a + log[ RNH 2]
[ RNH +3]
이다.
4) 수용액의 pH 계산
1.0M 아세트산 용액의 pH는 다음과 같이 계산할 수 있다. 아세트산은 약한 전해질이므로 그
일부만이 전리하여 같은 수의 H+과 CH3COO-이 생긴다. 이 때 H+의 농도를 x 라 하면
CH3COO-의 농도도 x 가 된다. 따라서 평형에 도달했을 때의 아세트산의 농도는 1 - x 가
된다.
CH3COOH ⇄ CH3COO- + H+
(1- x) ( x) ( x)
아세트산의 이온화상수 K a =1.8×10 -5 이므로,
K a= [ H +][ CH 3COO -]
[ CH 3COOH]=
[ x ][ x ]
[ 1-x ]= 1.8×10 -5
분모 안의 x 의 값은 1 에 비하여 매우 작기 때문에 무시할 수 있어, 1- x ≒ 1 로 본다.
- 154 -
[x] 2= 1.8×10 -5
[x]= 1.8×10 -5= 4.2×10 -3
pH = - log [ H +] = - log ( 4.2×10 -3) = - log(4.2) - log ( 10 -3)
= -0.62 + 3 = 2.38
약한 수용액의 pH는 이러한 방법으로 계산하나 약한 산과 그 염의 혼합용액의 pH는
Henderson-Hasselbalch 식으로 계산하면 편리하다. 예를들면 0.1몰이 아세트산나트륨(8.2g) 과
0.1몰의 아세트산(6g)을 물에 녹여 1ℓ가 되게 하였을 때 이 혼합용액의 pH는 다음과 같
이 계산 할 수 있다. 약한 아세트산은 전해질이고 아세트산나트륨은 강한 전해질이므로
[CH3COO-] = [CH3COOH] = 0.1 M
이다. 이것을 Henderson-Hasselbalch 식에 대입한다.
pH = ｐK a(HAc) + log[ CH 3COO -]
[ CH 3COOH ]
pH = -log( 1.8×10 -5) + log 0.10.1
=4.74
5) 적정곡선 작성
0.1M 아세트산(CH3COOH) 100 ㎖를 0.1M 수산화나트륨
(NaOH) 표준용액으로 적정하였을 때의 적정 곡선을 나타낼 수
있다. NaOH을 가하기 전과 중화 당량에 해당하는 0.1M NaOH
100㎖를 모두 가하였을 때의 점을 제외하고는 Henderson
-Hasselbalch 식으로 계산할 수 있다. 한편 적정의 양끝에서는
염과 산의 비가 0 또는 무한대가 되므로 Henderson
-Hasselbalch 식으로 pH를 구할 수 없게 된다. 아세트산의 적
정곡선 전체의 모양을 보면 일정량의 알칼리를 가할 때의 pH
변화는 적정의 맨 처음과 맨 끝에서 가장 크고, 가운데에서 가
장 작다. 즉, 아세트산나트륨과 아세트산의 당량 혼합물에서는
아세트산 또는 아세트산나트륨이 단독으로 존재할 때에 비하여
산 또는 알칼리를 가했을 때 pH 변화가 작게되는 것을 알 수
있다. 이와 같이 어떤 용액이 pH 변화를 완화시키는 작용을 할
때 이것을 완충작용이라 한다. 완충작용을 적정의 중간점, 즉
pH 가 pKa 와 같을 때 최대가 되는데, 그림에서 완충작용은
pH가 4.76 일 때 최대가 된다.
6) 완충용액에서의 적정곡선 작성 및 pH 값 구하기
일반적으로 완충용액은 약한 Brönsted의 산과 그 대응하는 염기와의 혼합물로 구성되어 있다.
즉, 아세트산과 아세트산나트륨의 혼합용액 또는 수산화암모늄과 염화암모늄의 혼합물은 완충
용액이 된다.
생물에 있어서의 완충작용은 여러 가지 면에서 매우 중요하다. 단백질, 유기물질 및 무기염류
등이 함유디어 있는 세포의 원형질은 pH 변화를 0.2 이내로 유지하는 거의 완벽하고 이상적 인
완충용액이다. 혈장의 pH는 7.2～7.3 으로 유지되고 있으며 이 pH에서 멀어지면 생명이 유지되지
못한다. 생체에서의 완충용액은 세포에서 생성되거나 이용되는 대사 중간물에 의해 서도 이루어지
는데, 이러한 물질은 Brönsted의 약한 산이다. 또한 생체촉매인 효소의 촉매작 용도 일정한 pH에
서 최대가 된다. 생체에 있어서 pH는 염기와 그 짝산 사이의 비에 따라 결 정되며 농도에 무관하
- 155 -
게 된다. 생체에 있어서 완충용액의 정상적인 농도범위는 0.05～0.1M 이
다.
완충용액에는 약한 산으로는 인산, 글루타르산, 타르타르산 등이 쓰이고 약한 염기로서는
암모니아, 피리딘, 트리스(히드록시메틸)아미노메탄 등이 쓰인다. 완충작용을 정량적으로 다루
는 데 있어서는 완충용량을 결정하는 두 가지 요인을 고려해야 한다.
완충용량의 크기는 완충용액을 구성하는 성분들의 농도에 비례한다. 완충용액의 농도는 약한
산과 그 짝염기의 농도를 합한 것이다. 예컨대 0.1M 아세트산 완충용액이라면 물 1ℓ 속에 0.05
몰의 아세트산과 0.05몰의 아사트산나트륨이 녹아 있는 것이며, 마찬가지로 0.065몰의 아 세트산과
0.035몰의 아세트산나트륨이 물 1ℓ 속에 녹아 있는 경우도 마찬가지 완충용액이 된
다.
완충용액의 크기를 결정하는 두 번째 요인은 어떤 염기와 그 짝산의 농도의 비이다. 앞에서
이미 설명한 바와 같이 약한 산에 대응하는 염기와 그 약한 산의 농도의 비가 같을 때 완충 용량
이 가장 크다. 아세트산의 적정곡선에서 알칼리(또는 산)의 일정량을 가했을 때 pH의 변 화가 가
장 작은 곳은 ｐK a 점이다. 이 pH에서 CH3COO- 의 농도와 CH3COOH의 농도의 비 가 1이 된다.
그런데 ｐK a 에서 많이 떨어진 부분의 pH에서는 대응하는 염기와 산의 비가 1에서 매우 떨어지
게 되므로 이 때 가한 산이나 알칼리의 일정량에 대한 pH의 변화는 매우
크게 된다.
H3PO4 의 ｐK a 값들은 각각 ｐK a1= 2.1, ｐK a2= 7.2, ｐK a3= 12.7 인데 0.1M H3PO4 와
0.1M NaOH를 사용해서 pH 6.7의 인산 완충용액을 만드는 경우를 계산하면 다음과 같다. 이
완충계에서는 H3PO4의 2단계 해리를 사용한다.
H 2PO -4 ⇄ H PO 2-
4 + H+ ｐK a2= 7.2
Brönsted의 산( H 2PO -4)과 짝염기( H PO 2-
4 )의 비를 Henderson-Hasselbalch의 식으로
계산한다.
pH = ｐK a2 + log[ H PO 2-
4 ]
[ H 2PO -4]
6.7 = 7.2 + log[ H PO 2-
4 ]
[ H 2PO -4]
- 0.5 = log[ H PO 2-
4 ]
[ H 2PO -4]
+ 0.5 = log[ H 2PO -
4]
[ H PO 2-4 ]
[ H 2PO -4]
[ H PO 2-4 ]
= antilog(0 .5)
[ H 2PO -4]
[ H PO 2-4 ]
= 3.161
원하는 완충용액은 H 2PO -4 이온 316에 대해서 H PO 2-
4 이온 100을 함유해야 한다. 두 이온이 모
두 H 3PO 4 로부터 생성되므로 우선 0.1M H 3PO 4 41.6㎖를 추하여 1 단계 해리( ｐK a1= 2.1)에서 생
기는 H+ 을 중화시키기 위해서 0.1M NaOH 41.6㎖를 가한다. 다음에 0.1M NaOH 10.0㎖를 가하면
H PO 2-4 1.0 meq(밀리당량)를 생성하고 H 2PO -
4 3.16meq를 남긴다. 따라서 [ H 2PO -4]÷[ H PO 2-
4 ]
값은 구하는 양의 비가 되면 pH = 6.7이 된다. 이 완충용액의 농도는 H 3PO 4 의 몰수(4.16 meq)를
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부피(93.2㎖)로 나눈 값 0.045M 이다. 약한 산을 염
기로 적정할 경우, [A]÷[HA] 의 비를 가로축으로
하고, Henderson -Hasselbalch 식을 써서 계산한
해당 pH 값들을 세로축으로 하여 그린 적정곡선 이
다. 즉, [A]÷[HA] = 1(이 때 pH = ｐK a) 근처에서
적정곡선의 기울기가 가장 작아진다. 달리 말하면, 약
한 산과 그 짝염기(또는 약한 염기와 그 짝산)의 농도
비가 1 근처 일 때, 염기 나 산을 가해주어도 용액의
pH 값의 변동이 가장 작음을(완충용량이 가장 크다는
것을) 알 수 있다. 완충 용액의 pH 값은
Henderson-Hasselbalch 식을
써서 계산한다.
5. 지도상의 도움정보 및 유의사항
ⅰ) 아세트산 [acetic acid = CH3COOH, 60.05]
식초 속에 3～5% 함유되어 식초의 신맛을 내기 때문에 초산이라고도 하며, 에탄산이라고도 한다. 알
코올 음료를 방치하면 발효에 의해 생기므로, 예전부터 알려져 있었다. 유리산 및 에스테르의 형태로 자
연계에 널리 존재하는데, 에스테르로는 과일 향기의 성분이 되어 있는 것이 많다.
강한 자극성의 냄새가 나는 무색 액체로, 녹는점 16.6℃, 끓는점 117.8℃, d 16.67(liq) 1.053, d 16.60
(solid) 1.266. d 2525 1.049 , 수용액에서의 1.0M pH = 2.4, 0.1M pH = 2.9, 0.01M pH = 3.4
약한 산이며, 1mol 수용액에서는 0.4% 정도 해리(解離)하여 아세트산이온과 수소이온이 된다. 어는점
내림의 값(39)이 크므로, 순수한 아세트산의 녹는점은 소량의 물이 섞이면 급격히 떨어진다. 또한, 냉각
하면 결정화되기 쉬우므로 겨울철에는 결정상태가 되는데 이것을 빙초산이라고 한다.
ⅱ) 수산화나트륨 [sodium hydroxide = NaOH, 40.00]
부식성이 강하므로 가성소다라고도 하며, 순수한 것은 무색의 투명한 결정이지만, 보통은 약간 불투명
한 흰색 고체다. 탄산나트륨 등의 불순물을 함유하고 있다. 완전히 탈수시킨 수산화나트륨의 녹는점은
328℃이지만, 보통은 약간의 수분이 들어 있어 318.4℃이다. 끓는점 1,390℃, 비중 2.13(25℃)이며, 0.05%
w/w 용액 pH ～12, 0.5% w/w 용액 pH ～13, 5% w/w 용액 pH ～14, d 154 ; 5% 1.056, 10% 1.111,
20% 1.222, 30% 1.333, 40% 1.434, 50% 1.530
d : density ; specific gravity( d 154 specific gravity at 15。 referred to water at 4。)
조해성이 강하여 공기중에 방치하면, 습기와 이산화탄소를 흡수한다. 그러면 탄산나트륨이 되어, 결정
을 석출한다. 물에 잘 녹으며, 그때 다량의 열을 발생한다. 수용액은 강한 알칼리성이 된다.
ⅲ) 밀도 : 하나의 물리적 양이 공간, 면 및 선상에 분포하는 정도를 각기의 단위체적, 단위면적,단
위길이에 포함된 양으로 나타낸 것. 체적, 면, 선에 관한 것을 각각 체적밀도(단순히 밀도라고 한다), 면
밀도, 선밀도라 한다. 보통 질량, 전기량 등의 분포를 나타내기 위해서 쓰이며, 특히 질량밀도인 때에는
간단히 밀도(물질의 밀도)라 부른다. 또 기하학적으로 점이 공간, 면, 선 상에 분포되었을 때나 평행선이
면상에 분포되었을 때에도 이들의 밀도를 똑같이 정의한다. 물질의 밀도는 온도, 압력 등에 따라 다소변
화가 있다.
ⅳ) 비중 : 물질의 질량과 표준물질의 질량의 비. 보통은 표준물질로서 4℃의 물을 채용한다. 같은
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장소에서는 양자의 무게를 비교하여도 좋기 때문에 이름이 있다. 4℃의 물의 밀도는 0.999973g/cm3 이므
로, 비중의 0.999973g 배가 CGS제로 표시한 밀도와 같아진다. 그러나 실용상으로는 4℃의 물의 밀도를
1g/cm3로 하고 계산한다. 또 기체의 비중을 나타낼 때에 흔히 표준으로 0℃, 1기압의 공기를 취하고 어
떤 경우엔 수소, 산소를 표준으로 한다.
ⅴ) 질량 : 물체의 관성의 크기를 나타내는 양. 천칭을 사용하여 두개의 물체에 작용하는 무게(지구
의 인력)을 비교하고 그 비로써 질량을 정한다. 같은 물체에서도 그 무게는 장소에 따라 다르지만, 두개
물체의 무게의 비는 그것들을 어디에 옮겨도 일정하며 두개의 물체에 고유한 양으로 된다. 그러므로 어
떤 특정한 물체의 질량을 단위로 취하면 다른 물체의 질량을 나타내는 수도 결정된다. 이 단위가 되는
물체가 kg 원기이다. kg은 MKS단위계의 질량의 단위이며, CGS계에서는 그의 1/100의 그램(g)을 단위
로 한다.
ⅵ) 중화 : 산과 염기가 당량에 반응하여 산 및 염기로서의 성질을 잃은 현상, 산, 염기의 정의에 의
하여 여러 가지로 해석된다. 브랜스테스에 의하면 중화는 HA(산) + B(염기) ⇄ A-(염기) + HB+(산) 과
같이 산과 염기와의 사이의 수소이온의 주고 받음으로써 설명되어지고 있으며, 그리고 루이스가 생각한
산과 염기의 정의에 의하면 중화는 일반적으로 염기가 갖는 비공유 전자대가 산의 외각 전자궤도를 충
만 시키고 전자대에 의한 결합, 즉 배위결합을 형성하는 현상으로서 설명된다. 예를 들면 산 + 염기 =
배위화합물 과 같은 착화합물의 생성이 광의의 중화로 해석된다.
ⅶ) 당량 [equivalent]
일반적으로 화학반응에서 화학량론적으로 각 원소나 화합물에 할당된 일정한 물질량. 보통 당량이라
하면 화학당량을 말하며 이것은 화학반응의 성질에 따라 정해진다.
① 산․염기의 당량 : 산으로 작용하는 1당량의 수소를 함유하는 산의 양을 그 산의 당량이라고 하며,
이에 대하여 그것을 중화하는 염기의 양을 염기의 당량이라 한다. 예를 들면, 황산 H2SO4에서식량 98에
대하여, 산으로 작용하는 수소는 두 가지가 있으므로 당량은 49, 수산화나트륨 NaOH은 식량 40에 대하
여 당량 40이다.
② 산화․환원의 당량 : 환원작용에 관여하는 수소의 1당량을 함유하는 환원제의 양 및 이것에 상당
하는 산화제의 양을 말한다. 예를 들면, 과망간산칼륨 KMnO4는 황산 산성으로 과산화수소와 반응하여
다음과 같이 된다. 2KMnO4＋5H2O2＋3H2SO4 → 2MnSO4＋K2SO4＋8H2O＋5O2 따라서, 이 때의 과산화
수소의 환원제의 당량은 식량의 1/2, 즉 17이며, 과망간산칼륨의 산화제의 당량은 식량 158의 1/5이 된
다.
◉ HCl이나, HNO3 등의 산은 분자당 한 개의 수소 이온을 내놓으므로, 1몰(mole)이 물에 용해하면, 1
몰(mole)의 히드로늄 이온이 생성되고, 따라서 1몰의 수산화 이온으로 중화된다. 이를 1가산이라고 한다.
따라서 H2SO4 는 2가산, H3PO4 은 3가산이 되며, 염기의 경우는 분자당 내놓을 수 있는 수산화 이온의
수에 따라 NaOH, KOH는 1가염기, Ca(OH)2및 Mg(OH)2는 2가염기, Al(OH)3등은 3가염기로 구분한다.
이렇게 산 또는 염기의 몰수 당 내놓을 수 있는 수소 이온 또는 수산화 이온의 수를 당량수라고 정의한
다. 즉, 1가산인 HCl은 몰수와 당량수가 같지만, 2가산인 H2SO4는 1몰이 2당량이며, H3PO4 은 1몰이 3
당량이다.
산, 염기 1ℓ의 용액속에 녹아 있는 당량수를 노르말 농도라 하며 N으로 표시한다. 1가산과 1가염기
는 노르말농도와 몰농도가 같다.
ⅷ) 당량점 [equivalence point]
보통 지시약의 색변화 등을 이용하여 검출하는데, 이렇게 해서 검출된 점은 종말점이며, 당량점과 반
드시 일치하는 것은 아니다. 당량점과 종말점과의 차이가 적정오차인데, 적정에서는 당량점과 종말점이
일치하는 것이 이상적이다. 그리고 중화적정 실험을 통해 얻게 되는 당량점은 다소 이론적이어서 실제
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적으로는 사용한 지시약이 색변화하는 점인 종말점으로 결정된다.
◦ 종말점 : 지시약이 변화는 pH 구간을 통해 실험으로 알 수 있는 점.
◦ 당량점(=중화점) : 표준용액을 일정 부피의 미지농도의 시료 용액에 첨가하여 반응하는 것이
끝나는 화학론적 중화점으로 공식을 이용하여서(n․M․V = n´․M´․V´)
실제로 구한 부피에 해당하는 곳에서 급격히 pH가 변하는 점.
◦ 산과 염기의 세기와 중화점에서의 pH 관계 :
산과 염기의 세기는 중화점에 무관하지만, 중화점의 pH에는 영향을 준다. 즉, 중화점의 pH
는 반드시 7 이 되는 것은 아니고 산성 또는 염기성을 위치에서 나타낼 수도 있다.
< 이유 : 반응에서 생성된 염이 가수분해하여 용액의 액성을 변화시키므로 >
◦ 약한 산과 약한 염기의 중화점의 pH 는 7 보다 크다. (=염기성 용액)
ⅰ) CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
ⅱ) CH3COONa → CH3COO- + Na+
(단, CH3COONa은 물에 녹이면 거의 완전히 이온화한다.)
ⅲ) CH3COO- + H2O → CH3COOH + OH-(염기성)
(단, 이 때 생성된 CH3COO-가 염기로 작용하여 H2O로 부터 H+를
받아들이기 때문에 용액 중에 OH-가 생성되어 염기성을 나타내며,
그러나 Na+와 OH-는 이온화된 상태로 존재한다. )
◦ 약한 산과 센 염기의 중화 - 당량점 : pH 7 이상이다.
- 적당한 지시약 : 페놀프탈레인, 티몰프탈레인 사용.
ⅸ) 지시약 [indicator]
일반적으로 적정의 당량점을 판별하거나 수소이온농도를 알기 위해서 사용된다. 변화가 급격히 일어
나는 것에 의해서 당량점 또는 적정의 지시를 육안으로 직접 관찰할 수 있는 정색지시약(색의 변화)․형광지시약(형광의 변화)․화학발광 지시약(발광의 생성)․혼탁지시약(혼탁의 생성)․침전지시약(침전의
생성) 등이 있고, 이 밖에 물리화학적 성질의 변화에서 종점을 지시하는 전류지시약이나 표면활성지시약
도 있다. 이러한 것 중에서 가장 널리 사용되는 것은 정색지시약인데, 이것에는 종점이 되면 무색에서
유색으로, 또는 유색에서 무색으로 변하는 1색 지시약과, 종점이 되면 어떤 색에서 다른 색으로 변하는
2색 지시약이 있다.
지시약은 보통 한 종류의 것을 사용하나 두 가지 이상을 섞어서 사용하는 경우도 있다. 이런 경우를
배합지시약이라고 한다. 배합지시약에는 혼합지시약․차폐지시약․만능지시약 등이 있다(혼합지시약과
차폐지시약을 합하여 색지움지시약이라고 하고, 또 차폐지시약을 혼합지시약이라고도 한다). 혼합지시약
의 예로는 메틸레드(적색 pH 4.4～6.2 황색)와 브롬크레졸그린(황색 pH 3.8～5.4 청색)을 1대1의 비율로
혼합한 것이 있는데, pH 5.4에서 회색이 되고, 그보다 산성 쪽에서는 적색, 염기성 쪽에서는 녹색이 된
다. 또, 만능지시약은 더욱 세밀하게 조합한 것으로, 예를 들면 티몰블루․브롬페놀블루․브롬크레졸그린․브롬크레졸퍼플 적당량을 혼합한 경우에는 pH 1.0～pH 7.0 사이에서 1pH 단위마다 적색․오렌지색․황색․녹색․남색 등으로 색이 변한다.
지시약은 그 자신이 한 가지의 약한 산으로서 다음가 같이 해리하며, 비해리형(H-Ind)과 해리한
이온형(Ind-)의 색깔이 다른 것이 특색이다.
H-Ind + H2O ⇄ H3O+ + Ind-
K a= [ H 3O
+][Ind -]
[ H-Ind]= 또는
K a
[H 3O+]
=[Ind -]
[ H-Ind]
지시약은 ｐK a 보다 낮은 pH에서는 H-Ind 형으로 존재하지만, ｐK a 보다 높은 pH에서는 색상이
다른 Ind- 형으로 존재한다.
일반적으로 지시약은 비해리형과 이온형의 비율이 10 이상일 때 한 쪽 형의 색깔이 분명히 나타나게
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된다. [ Ind -][H-Ind]
=10 일 경우, Ind- 의 색깔이 관찰되며, 이 때는 K a= [ H 3O+], 즉 ｐK a+1= pH
이다. 한편, [ Ind -][H-Ind]
=110일 때는 ｐK a-1=pH 되며, H-Ind 의 색깔이 관찰된다. 따라서
비해리형에서 이온형으로 색깔변화에 요구되는 pH 값의 변화범위는 다음과 같다.
ΔpH = ( ｐK a+1) - ( ｐK a-1) = 2
그러므로 지시약으로 pH 값을 정확하게 측정할 수 없으며, pH 1～2 범위의 오차가 따르기 마련이다.
예를 들면, p-니트로페놀은 pH 6.2～7.5에서 무색에서 황색으로 변한다. 즉, 산성에서는 무색인
벤젠형으로 존재하지만, 알칼리성에서는 해리하여 황색의 퀴논형으로 된다.
페놀프탈레인 페놀프탈레인의 짝염기
--< 지시약들의 범위 >--
지시약 pKa사용가능한
pH 범위
색 깔 변화
산성형 중 간 염기성형
Thymol blue 1 .7 1 .2 ～ 2 .8 빨 강 주 홍 노 랑
Bromophenol blue 3 .9 3 .0 ～ 4 .7 노 랑 초 록 파 랑
Methyl orange 4 .2 3 .1 ～ 4 .4 빨 강 주 홍 노 랑
Bromocresol green 4 .7 3 .8 ～ 5 .4 노 랑 초 록 파 랑
Methyl red 5 .0 4 .4 ～ 6 .2 빨 강 주 홍 노 랑
Bromocresol purple 6 .1 5 .2 ～ 6 .8 노 랑 초 록 자 주
Bromothylmol blue 7 .1 6 .0 ～ 7 .6 노 랑 초 록 파 랑
Thymol blue 8 .9 8 .0 ～ 9 .6 노 랑 초 록 파 랑
Phenolphthalein 9 .5 8 .3 ～ 1 0 .0 무 색 분 홍 빨 강
Thymolphthalein 9 .9 9 .3 ～ 1 0 .5 무 색 분 홍 파 랑
산성-중성-염기성 ;
pH에 따른 bromothymol blue
지시약의 색 변화.
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ⅹ) pH 값 구할 때의 주의사항
Henderson-Hasselbalch 식을 써서 산과 그 짝염기(또는 염기와 그 짝산)로 된 간단한 완충용액
의 pH 값을 간편하게 계산할 수 있으나, 복잡한 수용액의 pH 값을 측정하는 데는 지시약이나 pH 측정
기가 이용된다.
ⅺ) 온도에 따른 물의 밀도변화
온도(℃) 밀도(g/ml) 온도(℃) 밀도(g/ml) 온도(℃) 밀도(g/ml)
0 0.9998 16 0.9990 27 0.9965
2 0.9999 17 0.9988 28 0.9963
4 1.0000 18 0.9986 29 0.9960
6 0.9999 19 0.9984 30 0.9957
8 0.9998 20 0.9982 31 0.9954
10 0.9997 21 0.9980 32 0.9951
11 0.9996 22 0.9978 33 0.9947
12 0.9995 23 0.9976 34 0.9944
13 0.9994 24 0.9973 35 0.9941
14 0.9993 25 0.9971
15 0.9991 26 0.9968
ⅺ) SSC kit 스포이트 사용시 1 방울에 대한 질량값 및 부피값
횟수 CH3COOH 질량(g) 횟수 NaOH 질량(g)
1 0.034 1 0.040
2 0.028 2 0.038
3 0.028 3 0.033
4 0.032 4 0.035
5 0.028 5 0.033
6 0.029 6 0.037
7 0.031 7 0.032
8 0.028 8 0.039
9 0.031 9 0.035
10 0.032 10 0.042
평균 0.0301 평균 0.0364
비중×질량=부피 1.049×0.0301=0.0316㎖ 비중×질량=부피1.043×0.0364=0.0380
㎖
1㎖÷0.0316㎖=31.65 ≈31방울 1㎖÷0.0380㎖=26.32 ≈26방울
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6. 참고 문헌
한국생화학회 교재편찬위원회. 1995. 실험생화학. 심구당.
세계백과대사전 학원 출판사 144-145, 595
세계백과대사전 학원 출판사 20권 102p
일반 화학실험 일신사 143-146p
두산세계대백과 EnCyber
Whitehouse Station, NJ. 2001. THE MERCK INDEX THIRTEENTH EDITION. MERCK ＆
CO., INC,
Douglas A. Skoog., Donald M. West., F. James Holler. Fundamentals of Analytical
Chemistry FIFTH EDITION.
http://uniweb.unitel.co.kr:8083/class/chem/lesson/chapter5/section3/3salt/part3_2.htm
http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=Phenolphthalein
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탐 구 활 동 보 고 서
학습주제 약산과 강염기반응에 의한 적정곡선 및 pH 값 결정하기
일 시 2003년 월 일 요일 학년 반 조
이 름
기 상 날씨( ), 기온( )℃, 기압( )hPa, 습도( )
학습목표
∘ 물의 이온곱과 pH와의 관계를 이해한다.
∘ Henderson-Hasselbalch 식을 이용하여 pH를 구한다.
∘ 약산을 표준용액인 강염기를 이용하여 적정곡선을 작성하고 pH을
구할 수 있다.
준 비 물
∘기구 : 24 홈판, 96 홈판, 7㎜ 빨대 2개, 6㎜ 빨대 4개, 펀치,
흰색 시약병 2개, 갈색 시약병 4개, 스포이트 2개,
수액 속도 조절기 1개, 자석 교반기, 칼, 가위, 핀셋
∘재료: 1.00M 아세트산(CH3COOH) 용액, 1.00M 수산화나트륨(NaOH)
표준용액, 페놀프탈레인 용액, BTB 용액
1. 탐구활동 과정
1) SSC kit 중 24 홈판에 준비한 1.00M 아세트산(CH3COOH) 용액 1.00㎖을 넣기 위해서는
스포이트로 약 31 방울을 넣은 다음 지시약인 phenolphthalein 용액 1 방울을 첨가한다
2) SSC kit 중 96 홈판에 7㎜ 빨대 1개 꽂은 후 펀치를 사용하여 구멍을 뚫고 90°각도로
다시 6㎜ 빨대 1개를 꽂아서 스탠드를 만든다.
3) 수액 속도 조절기를 부착시킨 스포이트에 준비한 1.00M 수산화나트륨(NaOH) 표준용액을
넣고 위에서 준비한 스탠드에 확실하게 고정시킨다.
4) 그리고 1.00M 아세트산(CH3COOH) 용액이 들어있는 24 홈판에 자석을 넣고 준비한
자석 교반기가 작동하는지 테스트를 한 후 수액 속도 조절기로 수산화나트륨(NaOH) 용액을
천천히 1 방울씩 떨어뜨리면서 용액의 색깔이 분홍색으로 변하여 5～10초간 유지할 때까지
적정한다.
5) 중간 중간에 1.00M 수산화나트륨(NaOH) 표준용액을 넣으면서 ｐK a 점에 해당하는 용액의
부피값도 생각해보고, 또 pH 값도 구해본다.
6) 그리고 지시약의 변화로 우리가 원하는 당량점(종말점)에 해당하는 수산화나트륨 용액의
부피를 확인해보고, 또 pH 값도 구해본다.
7) 마지막으로 위 실험을 3회 실시하여 평균값을 구한 후 어느 정도의 pH 값을 얻었으면,
실제로 약산과 강염기반응에 의한 적정곡선을 그려본다.
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2. 결과 정리 및 논의
1) 1.00M NaOH 표준용액의 방울 수
평 균 값
2) 예상 pH 값
㉠ 초기 1.00M CH3COOH 수용액의 pH 값은 ?
㉡ 1.00M NaOH mL 적정했을 때의 pH 값은 ?
㉢ 1.00M NaOH 1.00mL(당량점=중화점) 적정했을 때의 pH 값은 ?
㉣ 1.00M NaOH mL 적정했을 때의 pH 값은 ?
3) 예상 적정곡선
3. 내가 얻은 결론
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우리 주변의 물은 과연 안전한가
서울 잠실고 조 분순
1. 이 실험은요
옛날 영화를 보면 여행하던 나그네가 강물을 손으로 떠 마시는 장면이 간혹 나온다. "아니, 강물을
마시다니...." 지금의 우리들에겐 신선한 충격이 아닐 수 없다.
수돗물도 끓이지 않으면 그냥 마실 수 없는 주위의 환경이 원망스럽지만 이러한 결과가 나오게 된
것은 사실 우리 모두의 탓이 아닌가!!
이번 캠프 활동에서 우리는 주변의 물을 취수하여 그 수질을 다양한 방법으로 분석해보고 오염의
정도를 직접 피부로 느껴보게 될 것이다. 하천 물, 웅덩이 물, 수돗물 등등 여러분 각자가 선택한 물
을 과학적 방법으로 분석하고 토론을 통해 오염 원인을 찾아본다면 아마도 캠프를 마친 후 집으로 돌
아가서는 물을 오염시키는 행동들을 많이 자제하리라고 믿는다.
우리나라도 물 부족 국가로 지정되는 날이 멀지 않았다. 물을 아끼고 수질 보존에 힘써야겠다.
2. 안전해요
가. 암모니아성 질소 검출 실험에서 검수액이 세지 않도록 빨대의 마개를 꼭 막는다.
나. 지시약을 사용 후 지시약이 담긴 점적병을 잘 잠근다.
다. 사용한 시약이 손에 묻었을 경우 깨끗하게 씻는다.
3. 필요해요
가. 개별 실험 셋트
24홈판, 스포이트, 빨대, 빨대 마개, 시약병(흰색, 갈색),
지시약, pH시험지, 네슬러 시약, 질산은 용액,
과망간산칼륨 용액, 질산성 질소 검출 시약
나. 여러 종류의 취수액
(증류수, 생수, 수돗물, 하천물 등등)
4. 어떻게 할까요
가. <1단계> 기초 자료 수집하기
점적병에 담긴 증류수와 생수의 수질을 분석하는 실험을 실시한다.
이 과정은 모둠 별로 선택한 여러 가지 물들의 수질 분석에 기초 자료를 제공해준다.
(1) A, B, C, D 행의 1과 2열 홈에 증류수와 생수를 1/2 넣는다.
(2) A 행 홈에 담긴 증류수와 생수의 pH를 pH시험지로 측정한다.
(3) B 행 홈에 담긴 증류수와 생수 속의 암모니아성 질소를 검출한다. 증류수와 생수 각각 5mL에
네슬러 시약을 1방울씩 가하여 흔든 후 미리 만들어 둔 기준액의 색과 비교하여 농도를 결정한
다.
(4) C 행 홈에 담긴 증류수와 생수 속의 염화 이온을 질산은 용액을 이용하여 검출한다.
(5) D 행의 홈에서는 과망간산칼륨 용액을 증류수와 생수 각각 5mL에 한 방울 씩 떨어뜨려 유기물
의 함량 정도를 알아본다.
(6) 빨대를 이용하여 질산 이온을 검출한다.
증류수와 생수 각각 5mL에 시약 0.1g을 넣어 때때로 흔들어 섞어서 30분간 놓아둔 후 질산염
표준액과 색을 비교한다.
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나. <2단계> 물, 너 참 잘 만났어!!
(1) 수돗물, 여러 지점의 하천물, 웅덩이 물 등 측정하고자 하는 우리 주위의 물들을 모둠 별로 토의
후 취수한다.
(2) 각 행의 3, 4, 5, 6 홈에 취수한 물을 1/2 정도 넣고 1단계에서 실시한 수질 분석 실험을 실시한
다.
(3) 각 분석 결과를 적고 모둠 별로 오염 정도와 원인을 토의한다.
5. 생각해볼까요
가. pH는 물의 산성화 정도를 알려줍니다. pH 크기와 산성화의 관계를
설명해봅시다.
나. 물 속의 염화 이온을 검출하기 위해서 질산은 용액을 사용합니다.
그 이유는 무엇일까요?
다. 과망간산칼륨은 물 속에 산화되기 쉬운 물질을 산화하기 위하여 소비됩니다. 이 물질은 주로 유
기물인데 과망간산칼륨의 소비량과 물의 오염 정도를 관계지어 생각해봅시다.
6. 학생 보고서
우리 주변의 물은 과연 안전한가
학교 반 번 조 이름
1. 실험 결과를 다음 표에 적어봅시다.
종류
실험증류수 생수 수돗물
하천물 우리 모둠이 선택한 물
pH
암모니아성 질소
염화 이온
유기물함량
질산성질소
2. 실험 결과를 바탕으로 각 물의 수질을 판정해봅시다.
▪증류수:
▪생수 :
▪수돗물 :
▪하천물 :
▪우리 모둠이 선택한 물( ) :
3. 생활 속에서 물 오염을 줄일 수 있는 방법에는 무엇이 있을까요?
우리가 할 수 있는 일들을 찾아봅시다.
나의 맹세 : 나 ( )는 집으로 돌아가서 물을 아끼고 수질을 보존하기 위해서 (
)을 하겠습니다.
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7. 교육 과정
초등학교 5학년 <용액의 성질 알아보기>에서는 여러 가지 용액에 리트머스와 지시약을 넣었을 때
의 변화를 관찰하고 이를 이용하여 용액을 분류한다. 또한 <용액의 변화>에서는 산성, 중성, 염기성
용액과 금속, 대리석과의 반응을 통하여 산성 용액의 성질을 발견하고 실생활에서 산성, 염기성 용액
이 이용되는 예를 찾는다. 5학년의 후속 학습으로 10학년의 <3단원. 물질> 부분은 전해질과 이온, 산
과 염기로 이루어져 있다. 따라서 캠프 활동에서는 취수액의 산성 정도를 판단하고 물 속에 들어 있
는 이온을 검출하므로 10학년 이후의 활동에 적합하다. 그러나 본 활동에서 물 속의 이온이 녹아있는
정도를 정량적으로 판정하는 것이 아니라 색 변화 정도를 비교하는 과정으로 정성적으로 알아보는
활동이 주가 되므로 초등학교 고학년 학생들과 중학교 학생들의 캠프 활동으로도 적합하다고 할 수
있다. 야외에서 간편한 개별 실험 셋트를 이용하므로 학생들이 원하는 여러 장소로 이동하기가 쉬워
간편성과 이동성이 뛰어나며 검사 후 발생되는 폐수의 양도 매우 적어 친 환경적이라고 할 수 있다.
또한 이 캠프 활동은 10학년 <3단원. 물질> 부분에서 교실 수업에 적용하여 개별화된 실험을 실시할
수 있을 것으로 기대된다.
8. 유의 사항
가. 교사의 실험 준비 시간을 줄이기 위해서 모둠 별로 실험 셋트를 준비할 수도 있다.
나. 질산성 질소 검출 가루 시약은 미리 질량을 측정하여 만들어둔다. 시약을 빨대에 넣고 실러로 막
으면 4회 사용 분량을 만들 수 있다.
다. 암모니아성 질소 검출 실험에서 검수액이 세지 않도록 빨대의 마개를 꼭 막도
록 지도한다.
라. 지시약을 사용 후 지시약이 담긴 점적병을 잘 잠그도록 학생들에게 안내한다.
마. 사용한 시약이 손에 묻었을 경우 깨끗하게 손을 씻도록 지도한다.
바. 야외 활동 후 발생되는 폐시약을 모두 수거하여 학교로 가져온 후 처리한다. 그 양이 매우 적으므
로 운반이 간편하다.
9. 실험 시간
가. 교사 준비 시간
캠프 활동은 학교 실험 활동과 달리 적정 학생수가 15명 내지 20명 정도이므로 교사 준비 시간은
1시간 정도 소요된다.
소요 시간은 각 지시약과 검수액의 수질을 판정할 시약들을 점적병에 넣고 필요한 실험 도구들을
지퍼백에 넣어 학생 개별 실험 셋트를 만들어야 하는데 필요한 시간이다.
나. 학생 실험 시간
(1) 실험 활동 시간 1시간
(2) 취수 시간 30분
(3) 토의 시간 30분
10. 준비물
가. 필요한 실험 도구들을 지퍼백에 넣어 학생용 개별 실험 셋트를 준비한다.
나. 암모니아성 질소의 검출 : 한 쪽이 닫힌 빨대에 여러 농도의 암모니아수를 5mL씩 만들어 넣은 후
네슬러 시약을 한 방울 씩 넣어 마개로 막아둔다. 실험에서 대조군으로 사용된다.
( 대조군 11가지 - 0.05N ～0.09N, 0.5N ～ 0.1N, 증류수 )
다. 질산성 질소 검출 시약 : α-나프틸아민 1g, 설파닐산 10g, 아연 분말 1.5g을 막자 사발에 넣고 잘
섞이도록 갈아준다. 0.1g 씩 빨대에 넣고 sealer로 막는다.
라. 질산은 표준액의 제조 : 질산은 3.39g을 갈색 눈금 풀라스크에 넣고 증류수를 1L 눈금선까지 넣는
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다.
마. 질산염 표준액의 제조 : 질산칼륨 0.722g을 증류수에 녹여 1L로 만든다. 이것은 질산성 질소
100ppm에 해당한다.
11. 도움말
가. 음료 가능한 물의 조건
(1) 물이 무색 투명해야합니다.
(2) 이상한 냄새가 없어야 하고 세균류가 검출되지 않아야 합니다..
(3) 검수 10mL씩 5번을 취하여 대장균 검사를 하여 5번 다 항상 음성이어야 합니다.
(4) 일반 잡균은 검수 1mL 중 100을 넘지 않아야 합니다.
(5) 오수성 생물이 없어야 합니다.
(6) 청산이나 수은이 조금이라도 검출되어서는 안됩니다.
(7) pH는 5.8 ～ 8.0 이어야 합니다.
(8) 암모니아성 질소 및 아질산성질소, 질산성질소가 조금이라도 검출되지 않아야 합니다.
(9) 과망간산칼륨 소비량은 검수 1000mL당 10ppm을 넘지 않아야 합니다.
(10) 염소 이온이 검수 1000mL중에 30ppm 이상 포함하지 않아야 합니다.
다만 이 이상이라도 음료용으로 살균하였을 경우는 무방하지만 이 이하라도 오염에 의한 경우는
음료로써 사용 불가능합니다.
나. 물의 자정 작용
유기물로 오염된 물이 하류로 흘러가는 동안에 침전, 여과 등의 물리적 작용, 산화와 같은 화확적
작용, 미생물의 분해와 같은 생물적 작용에 의해 물에 있던 유기물이 CO2, H2O와 같은 무기물로
분해되어 자연적으로 깨끗해지는 현상을 물의 자정 작용(self purification)이라고 한다.
다. 물을 오염시키는 물질
(1) 합성 세제 : 세탁용 외에도 치약이나 샴푸 및 기타 공업용 등 여러 용도로 사용되고 있는 합성 세
제는 피부에 자극을 주고, 간암을 비롯한 암의 발생 원인이 되기도 하며 기형아를 출산할 수 있는
오염 물질로 알려져 있다.
(2) 화학 비료와 농약 : 화학 비료에서는 주로 질소와 인이 유출되어 부영양화의 원인이 되며, 농약은
암을 비롯하여 각종 성인병을 일으킬 수 있는 원인 물질로 알려져 있다. 또한 우리나라의 농촌에
서 메뚜기, 개구리, 뱀, 물고기 그리고 많은 곤충들이 사라지고 있는 원인도 농약의 사용에 있는
것으로 알려지고 있다.
(3) 산업 폐수 : 산업 폐수에는 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 크롬(Cr), 비소(As), 구리(Cu) 등과 같
은 중금속이 들어 있으며, 이 물질들이 체내에 축적되면 특유의 중독 현상이 나타난다. 예를 들면
수은 중독은 미나마타병을 일으키고, 카드뮴 중독은 이타이이타이병을 일으킨다.
라. 수질오염이 인체에 미치는 영향
생물은 먹이 사슬에 의하여 체내에 들어 있던 유족 물질이 다른 생물로 이전되어 축적되는데 , 이
를 생물 축적이라고 한다. 독성 물질이 생물에 미치는 영향은 여러 가지 조건에 따라 다르지만 어
떤 경로를 통하여 체내에 들어오면 어느 정도는 배출되어 균형이 유지된다. 그러나 계속 섭취하는
경우에는 섭취와 배설의 균형이 깨져 주요 장기를 중심으로 발병하게 되어 심지어는 죽기까지 한
다. 이렇게 볼 때 마시는 물도 중요하지만 음식에 더 많은 관심을 가져야 겠다. 민물이나 연안에서
잡히는 물고기나 조개 등을 먹을 때에는 세심한 주의가 요청된다. 물을 마심으로 사람의 몸에 오염
물질이 축적되는 양보다 오염된 물고기 등을 섭취함으로써 사람의 몸으로 이동되어 축적되는 양이
훨씬 크기 때문이다.
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12. 모범 답안
종류
실험증류수 생수 수돗물
하천물 우리 모둠이 선택한 물
pH 7.0～7.5 7.0～7.5 7.0～7.5
암모니아성
질소× × ×
염화 이온 × ×뿌옇게흐
려짐
유기물함량 × × ×
질산성질소 × × ×
13. 기존 실험과 SSC 적용 실험의 비교
내용
항목
기존 실험 SSC 적용 실험
준비물 검수액과 시약의 종류별로 시험관 필요
24홈판 사용
스포이트 겸용 시약병 3개
빨대 7개 (취수액의 종류 수에 따라 다름)
시약의
양많은 양 필요 적은 양 필요
실험 시
∙취수한 물의 종류 수에 따라 시약을 넣
어야 하므로 시험관이 많이 필요하며 준
비가 안된 경우에는 실험 시 매번 세척하
여 사용하여야 하므로 매우 번거롭다.
∙스포이트 1개는 각 시약에 정확히 사용
해야 하고 바꾸어 사용하면 실험 결과가
다르게 나오므로 세심한 주의가 필요하
다.
∙학생들에게 실험 과정이 필요 이상으로
복잡하게 느껴진다.
∙24홈판에 각 시약을 넣어 반응시키므로
실험 결과를 한 눈에 알 수 있다.
∙시약병에 스포이트가 달려 있어 혼동할
우려가 없다.
∙실험 과정이 간단하여 학생들에게 체계
적으로 느껴진다.
실험의
적합성야외 활동으로 활용하기 힘들다.
개별 실험 셋트를 활용하므로 이동성이
뛰어나 야외 활동에 적합하다.
실험 후
처리
폐시약의 양이 많으므로 처리에 힘이 들
며 환경에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.폐시약의 양이 적으므로 환경 친화적이다.
안전성시험관이 깨지거나 많은 양의 시약을 흘
릴 경우 위험하다.
기구가 깨지거나 시약을 흘릴 우려가 없
다.
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14. 참고자료
가. 교육부. 1998b. 제7차 과학과 교육과정. 교육부 고시 제 1997-15호(별책9).
나. 정해상. 1996. 실험관찰대사전(화학). 서울: 삼안 출판사
다. http://www.niast.go.kr/environment/poll_photo/pollphoto_view2.asp
라. http://cice.kfem.or.kr/ 환경운동연합
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SSC의 이론적 배경
대구여자경영정보고 정덕영
1. 이론적 접근 방법
과학은 자연 현상을 이해하고, 새로운 원리를 발견하여 우리의 생활을 근본적으로 개선하는데 있다.
따라서 과학교육은 실제적인 경험과 조작이 교육활동에 있어서 매우 중요한 영역을 차지한다. 그러나
현재의 우리나라 초 중등의 과학교육 현실은 상급학교의 진학이라는 또 다른 교육의 목적에 가려져 그
기능과 역할을 다하지 못하는 실정이다. 특히, 화학교육에 있어서는 실험 기구 및 시료의 준비가 어렵거
나 장비의 고가화로 인해 초․중등 교육뿐 아니라 대학교육에 있어서도 실험을 통한 화학의 이해가 거
의 이루어지고 있지 않는 실정이다.
1997년 UNESCO와 IUPAC에서는 기존의 화학교육에 대한 문제점을 지적하고 저가의 실험 장비를 사
용하는 ‘small scale chemistry(SSC) 키트의 개발 및 보급에 노력한 결과 2002년 현재 약 40개국에서 이
를 적극적으로 받아들여 화학교육의 활성화를 도모하고 있다. 우리나라의 경우 SSC에 대한 소개가 되
지 않았고, 이에 대한 전문적인 지식이나 경험을 가진 사람이 거의 없어 교육 현장에의 적용이 이루어
지지 않았다.
SSC는 저가의 실험 키트를 사용함으로써 전통적인 실험 기법에 기반을 둔 탐구활동이 가지는 경제적
인 부담을 해소할 수 있으며, 교과서 안의 탐구활동뿐 아니라 교과서에서 다루지 않는 탐구활동을 안전
하게 수행할 수 있다. 또한, 실험을 준비하거나 실험 시간이 절약되며, 실험에 사용하는 시료의 양이 전
통적인 방법에 의한 것에 비해 1000분의 1 수준이므로 폐기물 처리에도 매우 유리하다.
그러나 SSC 키트에 사용되는 대부분의 실험 기구들이 국내에서 생산되지 않으므로 외국의 제품에 의
존해야 할 실정이다. 따라서 SSC를 이용한 실험 컨텐츠를 개발과 함께 SSC 키트의 개발도 매우 의미
있고 중요한 사업이라 하겠다.
2. 실험적 접근 방법
과학교육에 있어서 경험을 축적하고 현상을 이해하기 위해 직접 손으로 다루어 보는 것은 매우 중요
하다. 특히 화학은 그 현상이 분자 단위로 이루어지는 것이 많아 경험으로도 이해하기 어려운 것들이
있다. 전통적인 화학 실험은 micro scale을 large scale로 다루려 하는데 문제가 있다. 분자 단위의 화학
변화를 large scale로 다루면 화학적 현상을 관찰하거나 경험하기에는 시간의 면이나, 소모하는 양의 면
에서, 그리고 다루는 장비의 면에서 매우 불리하다. SSC는 이런 large scale의 실험이 가지는 문제점을
충분히 극복하게 해 준다. 뿐만 아니라 소량의 시료를 사용함으로써 경제적인 면이나, 폐기물의 배출 면
에서도 좋은 이점을 가지고 있다. 또한 개별적인 실험이나 관찰이 가능하여 개별 학습이나 창의적인 탐
구 방법의 적용에 있어서도 매우 긍정적이라 할 수 있다. SSC의 가장 큰 단점은 플라스틱 제품이기 때
문에 열에 약하다는 점이다. 그러나 micro wave를 사용하거나 열에 안정한 플라스틱 제품을 사용하면
이런 문제는 쉽게 극복할 수 있다. 또 하나의 문제는 유기 용매에 비교적 약하다는 점이다. 이 때에는
small scale의 유리 제품이나 적당한 재료를 선택하여 문제점을 해결할 수 있다. SSC의 이런 단점에도
불구하고 선진국에서 호평을 받고 있는 것은 앞에서도 언급한 바와 같이 경제적인 면과 환경적인 면,
그리고 안전성과 개별 실험이 가능하다는 점 등의 이점이 있기 때문이라 하겠다.
개발 되어있는 SSC 키트 표준 모델을 소개하고 키트에 포함 된 장비의 사용 방법에 대해 간단히 설
명하여 보자.
일반적으로 보급되어 있는 SSC 키트는 [그림 1]과 같은 몇 가지 실험 기구를 포함한다.
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[그림 30] Small scale kit
SSC 키트 중 몇 가지 장비의 사용법을 설명하면 다음과 같다.
Well plate(우물판)이라고 하며, 24well과 96well이 있으며 두 가지를 통합한 콤보형이 있다. 우물판은
반응용기로 사용하거나 시료가 들어있는 스템 피펫을 보관하는데 사용한다.
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Well strip이며, 96well plate중 한 줄만 있는 것으로 시료의 분광학적 스펙트럼을 관찰하거나 비교하
기에 용이하다.
페트리 접시로 용기 내에서 반응을 진행시키며, 뚜껑이 있어 밀폐된 공간 내에서 기체를 발생시키거
나 기체와의 반응을 조사하기에 편리하다.
스템 피펫으로 오른 쪽의 컨테이너에 용액을 저장하거나, 오른쪽의 관 부분을 잡아 늘여 스포이드처
럼 사용한다.
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Lab top이라 부르며, 페트리 접시나 우물판을 얹어 관찰하거나 색깔을 분석하는데 쓰인다.
소형 돋보기로 반응계를 세밀히 관찰할 때 사용한다.
빨대이며, 유리관이나 호스 대용으로 사용하거나 가위로 잘라 시약 스픈으로 사용할 수 있다.
펀치로 빨대에 구멍을 뚫어 반응 장치를 제작할 때 쓰인다.
핀셋으로 물건을 집을 때 사용한다.
소형 가위로 빨대를 적당하게 변형할 때 사용할 수 있다.
유리로 된 소형 테스트 튜브로 기체를 모으거나 가열할 수 있으므로 고온의 반응용기로 사용할 수 있
다.
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24well 판의 뚜껑으로 기체를 모을 때 사용한다.
microburner로 소형 알콜램프처럼 사용한다. 이 외에도 필요에 따라 몇 가지를 더할 수 있다.
위에서 열거한 장치들을 사용하여 몇 가지 활용 예를 소개하면 다음과 같다.
[그림 2] 마이크로 뷰렛을 이용한 적정 장치
[그림 3] 기체를 발생시키고 반응시킬 수 있는 장치
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[그림 4] SSC 키트를 이용한 실험 사례
3. 활용 계획
1. 연구의 기여효과
일선 학교에서 실험 수업이 잘 이루어지지 않는 것은 실험 수업 준비를 위한 교사의 시간적 부담과
입시 위주의 교육적 풍토 때문이라고 변명하기에는 과학을 가르치는 교사로서 부끄러운 일이라 하겠다.
SSC는 적은 시간적인 투자로 학생들에게 효율적으로 과학적 현상을 설명하기에 그 기대 효과는 실로
엄청나다 하겠다. 다음은 SSC를 교육 현장에 적용했을 때 발생되는 몇 가지 교육적 기대효과를 열거해
보겠다.
가. SSC의 적용을 통해 탐구 활동의 경제성과 안정성을 높이면서 과학에 대한 학생들의 흥미를 높이
고, 다양한 과학적 요소를 자주적이고 창의적인 탐구 학습을 전개하도록 조장하여 잠재되어 있는 창의
력과 논리적 사고력을 신장시킬 수 있다.
나. SSC에 관한 탐구 자료와 키트를 학교 현장에 보급함으로써 일선 교사들이 수요자 중심의 다양한
탐구 활동을 할 수 있는 계기를 마련할 수 있고 이를 통해 기초 과학의 중요성을 홍보하고 육성에 이바
지 할 수 있다.
다. SSC를 적용한 다양한 과학 활동을 통하여 탐구에 대한 관심 고취와 적극적 참여 기회를 제공함
으로써 기초 과학 및 기술 분야로의 관심을 고취시킬 수 있다.
라. SSC를 통한 탐구 자료를 학교 현장에 적용함으로써 과학 학습에 대한 동기 유발과 과학의 유용
성에 대한 인식을 높일 수 있다.
마. 과학캠프, 탐구교실 및 과학 싹 잔치 등의 탐구 활동에 적용함으로써 학생들의 과학 체험 활동을
제공하고 이를 통해 과학의 중요성을 알리며 과학을 대중화하는데 기여할 수 있다.
