[A+] pH미터에 의한 수소이온 농도의 측정 결과 보고서

소개글

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목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론

3. 실험 장치 및 시약

4. 실험방법
4-1. pH 미터의 교정
4-2. 수소 이온 농도의 측정

5. 결과 및 토의

본문내용

전하 (Zj)에 의존한다.

이온의 농도나 전하가 증가하면 이온의 세기가 커지고 데바이 길이는 감소한다. 데바이 길이의 감소로 정전기적 인력은 커지고 그 결과 활동도 계수(γj)는 작아진다. 확장된 데바이-휘켈 이론 (Extended Debye-Huckel law)에 따르면 활동도 계수는 이온의 강도와 이온의 평균 크기로부터 계산 가능하다.

여기서 aj는 수화된 j의 유효직경 (nm)이다. 만약 이온강도가 0.01 M보다 작으면 1+√I ≒ 1 로 근사되고 위의 식은 다음과 같이 근사된다. 이 식을 Debye-Huckel 한계법칙 (Debye-Huckel limitng law, DHLL)이라 한다.
양성자 (H+) 활동도는 pH 미터를 이용하여 측정할 수 있다. 다음 그림은 pH 측정기의 작동 모식도를 보여준다. 포화 칼로멜 전극 (SCE)가 기준전극으로 사용되고 상대전극으로는 0.1 M H+를 가진 Ag/AgCl 전극이 사용되었다. pH 모식도를 보면 전위차가 발생할 수 있는 계면이 다섯 개 존재하고 이들의 합이 전체 전압 V에 해당한다. pH 모식도를 보면 두 개의 전극이 분리되어 있지만 최근에는 이들 전극을 하나로 묶어 만든 복합전극이 사용되고 있다.
SCE 기준전극에서 KCl은 포화용액으로 농도가 일정하므로 △Φ1는 상수이다. △Φlj는 액간 전 촉 전위 (liquid-junction potential)로 상수이고 매우 작은 값을 갖는다. Ag/AgCl 상대전극 안의 HCl농도가 1M로 일정하므로 △Φ4도 상수이다. 유리막 (glass membrane)과 HCl 접촉 면에서 나타나는 △Φ3는 무시 가능할 정도로 작다. 따라서 측정되는 전압 (또는 기전력) V는 일정한 값에 △Φ2가 더해진 것이고, 이 값은 미지용액의 aH+에 의존한다. 결과적으로 pH 미터에서 측정되는 전압 E는 다음 식으로 나타난다.
여기서 R은 기체상수, T는 절대온도, F는 Faraday 상수, L은 상수이다. 식에서 보듯이 측정 전압은 미지용액 안에 H+의 활동도에 의해 결정된다.
* 활동도 계수 : 어떤 물질의 농도에 대한 화학적 활동도의 비
* 이온 강도 : 전해질 용액 속의 이온의 농도를 나타내는 양.
*
*
3. 실험 장치 및 시약
pH 미터, 온도계, 피펫, 비커, 용량플라스크, pH 4, pH 7, pH 10의 pH 표준용액, 0.1 M HCl 표준용액, NaCl, 미지 수용액
4. 실험방법
4-1. pH 미터의 교정
① pH 미터의 전극을 탈이온수 (증류수)로 씻은 다음 전극에 묻어있는 물방울을 흡수성이 휴 지로 가볍게 닦아낸다. 이때 전극을 문지르지 않도록 조심한다.
② 전극의 검출부를 pH 4 표준용액에 씻은 다음 전극을 pH 4 표준용액이 들어있는 삼각플라스크 안에 담근다.
③ 삼각플라스크 안에 들어있는 pH 표준용액의 온도를 측정하여 온도를 맞춘다.
④ pH 미터의 calibration 교정키를 눌러 pH 4를 교정한다. (실험값이 4 내외의 값이 나오면 pH 미터는 자동으로 pH값을 4로 교정함.)
⑤ 전극을 꺼내어 탈이온수로 씻고 휴지로 가볍게 닦아낸다.
⑥ pH 7과 10의 pH 표준용액에 대해서도 위의 과정을 반복하여 pH 미터를 교정한다.
4-2. 수소 이온 농도의 측정
① 0.1 M HCl 표준용액을 이용하여 0.01 M, 410-3 M, 10-3 M, 410-4 M, 10-4M의 용액을 준비한다.
② 이들 용액의 이온강도가 1 M이 되도록 NaCl을 첨가하여 100 mL 용액을 만든다.
③ 각 용액의 pH 및 기전력 E(mV)를 측정한 다음 활동도 (aH+)에 따른 기전력 변화를 mV-log(aH+) 그래프로 도시한다.
(X 축은 log(aH+) , Y축은 mV)
④ 미지 수용액의 기전력을 측정한다.
5. 결과 및 토의
(1) 각 농도의 HCI 용액을 제조할 때 사용한 NaCI 양
*
*
① 0.01M HCI 용액
② HCI 용액
③ HCI 용액
HCI 용액
HCI 용액
(2)
① 이 실험에서 산용액에 NaCl을 이용하여 이온강도를 동일하게 한 이유를 설명하라.
- 각각의 HCI 농도가 다르면 이온사이의 상호작용도 달라진다. 따라서 여기에 NaCl과 같이 HCl과 반응하지 않는 물질을 넣어 줌으로써 이온강도를 같게 하여 각 이온사이의 상호작용을 무시하는 역할을 해준다.
② 확장된 데바이-휘켈 식을 이용하여 활동도 계수를 구하고, 이를 이용하여 H+(또는H3O+)의 농도를 구하라.
(참고: H+는 수용액에서 H3O+로 존재함.
수화된 H3O+의 유효직경 aj = 0.9 nm)
③ mV-log(aH+) 그래프 위에 H+ 농도에 따른 기전력 변화 (mV-log(cH+))를 도시하고 일차함수식을 세운다. 이 식의 기울기를 E와 aH+ 관계식과 비교 설명하라.
HCI 농도
pH
E
기전력
(mV)
2.06
-2.03
308.88
309
2.51
-2.42
282.86
283
3.09
-3.01
248.82
249
3.49
-3.40
224.80
225
4.09
-4.00
190.77
191
위의 결과값들로 한 그래프로 나타내보면,
이 식의 기울기는 -29.428이다.이 그래프에서 기울기는 을 의미함을 알 수 있다.
④ 미지 수용액의 기전력을 이용하여 앞서 구한 그래프로부터 미지 수용액의 수소이온 농도를 구하라.
2조
미지 수용액의 기전력(mV)
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*나의 고찰*
이번 실험은 pH미터를 사용하여 기전력을 측정한 후, 미지 수용액의 농도와 pH를 예측해보고 실제로 측정해보는 실험이었다. 이 실험을 하면서 왜 이온 강도를 일정하게 맞춰야 하는지 알게 되었다. 이번 실험은 pH와 기전력사이의 관계는 반비례임을 증명하는 실험이었다. 그러나 내가 그린 그래프는 이론과는 정반대의 결론이 나왔다..그래서 너무 당황스러웠지만 오차에 대해서 생각해보았다. 우선, 나의 계산실수가 있을 수도 있고 혹은 서로 다른 pH용액의 기전력을 측정하는 데에서 오차가 나왔을 수도 있다고 생각했다. 아쉽게도 만족스러운 결과를 얻지못하였지만, 다시 주의하며 실험을 한다면 이번 실험 결과보다 훨 만족스러운 결과가 나올 것 같다.

키워드

ph미터,   수소이온,   전해질,   이온강도