식초속의 아세트산 함량 구하는 방법 (중화적정)

중화적정

중화반응에서 산과 염기가 반응하여 완전히 중화되기 위해서, 산이 내어놓는 수소 이온(H+)의 몰과 염기가 내어놓은 수산화이온(OH-)의 몰이 같아야 합니다. 가수를 n, 몰농도를 M, 부피를 V라고 할 때, 산이 내놓은 수소이온(H+)의 양을 n1M1V1으로, 염기가 내놓은 수산화이온(OH-)의 양을 n2M2V2로 표시한다면 산과 염기가 완전히 중화되는 조건은 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

 

n1M1V1 = n2M2V2

 

참고로 산이나 염기의 가수(n)를 정리해 보면 1가 산은 HCl(염산), CH3COOH(아세트산), 2가 산은 H2SO4(황산), H2CO3(탄산), 3가 산은 H3PO4(인산)이 있고, 1가 염기는 NaOH(수산환나트륨), KOH(수산화칼륨), 2가 염기는 Ca(OH)2(수산화칼슘, 석회수), Ba(OH)2(수산화바륨), 3가 염기는 Al(OH)3(수산화알루미늄)가 있습니다.

 

여기서 중화적정이란, 중화반응에서의 양적 관계인 n1M1V1 = n2M2V2가 성립되는 것을 이용하여 농도를 모르는 산이나 염기의 농도를 알아내는 것을 말합니다. 중화점에서 지시약을 이용하여 pH 변화를 확인할 수 있기 때문인데요, 아래의 식초 속의 아세트산 함량을 구하는 방법을 통해 설명해 보겠습니다.

 

식초 속의 아세트산 함량 구하는 실험

• 실험 준비물 : 식초, 피펫, 100ml 부피 플라스크, 삼각 플라스크, 페놀프탈레인 용액, 뷰렛, 0.1M 수산화나트륨(NaOH) 수용액(표준용액)

참고로 표준용액이란 농도를 정확하게 알고 있는 용액을 말합니다.

 

1. 식초 희석

식초 10ml를 100ml 플라스크에 넣고 증류수를 100ml까지 채워서 식초의 농도를 1/10로 묽게 희석시킵니다. 아세트산 함량을 구하기 위해 식초를 희석시키는 이유는 표준용액으로 0.1M 농도의 수산화나트륨(NaOH)을 사용하는데 표준용액의 농도가 충분히 낮기 때문에 식초를 희석시키지 않으면 적정에 사용할 염기 수용액의 양이 너무 많아질 수 있기 때문입니다. 이는 실험의 오차를 불러일으킬 수 있습니다. 즉 식초의 아세트산은 약산이긴 하지만, 표준용액의 농도까지 고려해 주어야 합니다. 다시 말해, 식초를 희석시키는 이유는 부피를 늘려주기 위해서입니다.

 

2. 페놀프탈레인 용액 첨가

묽게 희석시킨 식초를 삼각 플라스크에 20ml 옮긴 다음, 페놀프탈레인 용액을 2방울에서 3방울 정도 떨어뜨립니다. 실험에 사용할 지시약으로 페놀프탈레인 용액을 선택하였는데요, 알다시피 페놀프탈레인 용액은 산성과 중성에서는 무색으로 색상 변화가 나타나지 않지만, 염기성에서는 붉은색을 띠게 됩니다.

 

3. 표준 용액 준비 및 첨가

뷰렛에 표준용액인 0.1M 농도 NaOH 수용액을 넣고 눈금을 읽습니다. 그런 다음 뷰렛의 꼭지를 열어 식초 희석액이 들어 있는 삼각플라스크에 표준용액을 조금씩 떨어뜨리고 삼각플라스크는 반응이 일어날 수 있도록 천천히 흔들어줍니다.

 

4. 용액의 색상 변화 확인

삼각플라스크 속의 용액이 붉은색으로 변화하면 뷰렛의 꼭지를 잠그고 눈금을 읽습니다. 막 붉은색으로 변한 지점이 중화점이라고 생각을 할 수 있습니다. 실제로는 색상 변화가 일어났다는 것은 중화점을 살짝 넘어서서 염기성으로 변한 것이지만 이 부분을 중화점에 도달하였다고 판단하고 용액의 첨가를 중지한 종말점을 중화점으로 간주하는 것입니다. 이렇게 하면 사용된 표준용액, 0.1M 농도 NaOH의 부피를 구할 수가 있습니다.

종말점 이전의 식초용액(좌), 종말점 도달 후 식초용액(우)

 

위의 실험을 동일하게 수회 반복하고, 평균 부피를 구하는 것이 실험의 신뢰성을 높일 수 있는 방법입니다.

 

식초 속의 아세트산 함량 구하는 방법

위의 실험을 수행하고, 실험 결과로부터 식초 속의 아세트산 함량을 구하면 됩니다. 참고로 식초 속의 아세트산과 수산화나트륨의 중화반응에 대한 반응식은 아래와 같습니다.

 

CH3COOH(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + CH3COONa(aq)

 

예를 들어, 표준용액인 0.1M 수산화나트륨(NaOH) 수용액의 첨가된 부피가 20ml라고 한다면, 중화반응의 양적 관계를 이용하여 식초 속의 아세트산 몰농도(M1)를 구할 수가 있습니다.

 

n1M1V1 = n2M2V2 이므로, 1 x M1 x 0.02L = 1 x 0.1M x 0.02L, 따라서 M1 = 0.1M, 식초 속의 아세트산의 몰농도는 0.1M입니다. 여기서 실험에 사용된 식초는 10배 희석한 것이므로, 식초 속의 아세트산의 양은 0.1M x 0.02L x 10 = 0.02mol이 되겠죠. 아세트산의 화학식 CH3COOH에서 원자량이 C는 12, H는 1, O는 16이라고 할 때, 아세트산의 분자량은 60이 되므로 아세트산 0.02mol의 질량은 0.02mol x 60g/mol = 1.2g이 됩니다. 여기서 식초의 비중이 1이라고 가정할 때, 식초 20ml가 20g이 되겠죠. (20ml x 1g/ml)

 

따라서 식초 속의 아세트산 함량은 아세트산의 질량을 식초의 질량으로 나누어주고 100을 곱하면 되므로 1.2g / 20g x 100 = 6%가 되겠네요. 이렇게 중화적정을 이용해서 식초 속의 아세트산 함량을 구하는 전체 과정을 정리하였습니다.