물리약학실습 결과보고서

7. 완충용액

Introduction

일반적으로 약산과 그 짝염기 또는 약염기와 그 짝산의 혼합물로 이루어진 용액은 외부에서

산이나 염기를 첨가하여도 pH가 크게 변하지 않는다. 이처럼 pH의 변화에 저항하는 용액을

완충용액이라 한다. 이번 실험에서는 완충 용액을 직접 제조하여 그 성질을 파악하고 완충

방정식 및 완충 용액을 구해보고자 한다. 또한 산-염기 중화적정 곡선을 pH로부터 그려보고

이로부터 산의 해리 상수도 구하여보고자 한다.

Materials & Methods

【Materials】

시약명 분자량 필요량Na2HPO4ㆍ12H2O (인산 1수소 나

트륨)358.14 2.44 g

NaH2PO4・2H2O (인산 2수소 나

트륨)156.01 0.722 g

NaCl 염화 나트륨 58.44 0.324 gNaOH 수산화 나트륨 (가성소다) 40.00 2 g HCl 염산 36.46 0.875 mloxalic acid (M.W 126.07) 126.07 315 ㎎pilocarpine nitrate 271.28zinc sulfate 271.54chlorobutanol(1.1.1-trichloro-2-m

ethyl-2-propanol hydrate)186.46

Citric acid 192.12Sodium citrate 258.07

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기구명 필요량 pH meter

volumetric flask 500㎖짜리 1개, 50㎖짜리 5개,

100㎖짜리 1개, 250㎖짜리 6개Erlenmeyer flask 50㎖짜리 1개, 250㎖짜리 1개mass cylinder 100㎖짜리 1개

뷰 렛 50㎖짜리 5개

비이커500㎖짜리 1개, 250ml짜리 1개,

100㎖짜리 5개pipet 10㎖짜리 2개저울

스탠드&클램프 5개isotonicity 측정기

【Methods】

❶ 강산, 강염기의 제조 및 표정

⑴ 500 ㎖ 0.1 N NaOH 용액의 제조 및 표정

① 필요한 NaOH 양 (g) : 2 g

② 필요한 oxalic acid 양 (g)

․50 ㎖ 0.1 N NaOH에 해당하는 oxalic acid 양 (g): 315 mg

(NaOH normal conc.) × (volume)

= (oxalic acid 양) ÷ (oxalic acid M.W.) × (oxalic acid 당량)

․(oxalic acid 양)

= (NaOH normal conc.) × (volume) × (oxalic acid M.W.) ÷ (oxalic acid 당량)

= 315 mg

① 제조: NaOH 2 g을 500 ㎖ volumetric flask에 넣은 후 500 ㎖이 되도록 증류수로 녹인

다.

② 제조 : oxalic acid 315 ㎎을 정확히 50 ㎖ volumetric flask에 넣고 50 ㎖이 되도록 증

류수로 녹인다

③ 표정

․oxalic acid 용액 10 ㎖을 피펫으로 취해 표정용 flask에 넣고, 1 % phenolphtalain을 두방

울 떨어뜨린다.

․0.1 N NaOH 용액을 뷰렛에 채운 후 oxalic acid 용액이 분홍색을 띠는 순간까지 적정 한

다.

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① NaH2PO4, Na2HPO4 농도 및 필요량 계산

NaH2PO4 = Na+ + H2PO4-

Na2HPO4 = 2Na+ + HPO42-

[산] = [H2PO4-] = [NaH2PO4] = a

[염] = [HPO42-] = [Na2HPO4] = b

pH = pKn + log[염][산]

- A n

에서

A = 0.51, n = 2, pK2 = 7.20을 대입하면 ba

=

-0.2 = 0.168 ........1)

μ =12∑ CiZi 2 =

12( 2a + 6b) = 0.1, a + 3b = 0.1 .......2)

μ=1/2[(bx2x12)+ (b x 22) + (a x 12) + (a x 12)]

1), 2)에 의해 [산] = 0.0185 M, [염] = 0.027 M

∴ NaH2PO4의 양 = 0.722 g

Na2HPO4의 양 = 2.44 g

⑵ 100 ㎖ 0.1 N HCl 용액의 제조 및 표정

① 필요한 HCl의 양 (㎖): 0.875 ml

․(35 % HCl 용액의 양) × (HCl 용액의 비중) × 0.35

= (HCl의 M.W.) × (volume) × (HCl의 normal conc.)

․(35% HCl 용액의 양)

= 0.875 ml

① 100 ㎖ volumetric flask에 증류수를 절반 정도 채운 후 conc. HCl 용액 0.875 ㎖을 첨

가하고 100 ㎖이 되도록 증류수로 채운다.

②표정

․0.1 N HCl 용액 10 ㎖을 표정용 flask에 넣고, 1 % phenolphtalain을 두 방울 떨어 뜨린다.

․0.1 N NaOH 용액을 뷰렛에 채운 후 HCl 용액이 분홍색을 띠는 순간까지 적정한다.

❷ 완충용액의 제조 및 희석에 의한 pH 변화

⑴ pH 7.00, μ = 0.1, sodium phosphate buffer 250 ㎖ 제조

① NaH2PO4 0.722 g, Na2HPO4 2.44 g을 250 ㎖ volumetric flask에 넣고 증류수로 250 ㎖

이 되게 채운다.

⑵ 2, 4, 8, 16배 serial dilution 후 pH 측정

① 원액을 mass cylinder로 50 ㎖을 취하여 sod. phosphate, NaOH 적정용 flask에 넣고 pH

를 측정하여 기록한다.

② 원액을 mass cylinder로 50 ㎖을 취하여 mixing용 flask에 넣은 후 증류수 50 ㎖을 mass

cylinder로 취하여 mixing용 flask에 넣고 stirring한다 (1/2 dilution. 이 때, 소량 넣고 흔들어

준 뒤 나머지 액을 가해야 골고루 섞임).

③ 1/2 dilution 용액 50 ㎖을 mass cylinder에 취하고 mixing용 flask에 남아 있는 용액을

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1/2 dilution beaker로 옮긴다.

④ mass cylinder에 있는 1/2 dilution 용액 50 ㎖을 mixing용 flask에 넣은 후 증류수 50 ㎖

을 mass cylinder로 취하여 mixing용 flask에 넣고 stirring한다 (1/4 dilution).

⑤ 1/4 dilution 용액 50 ㎖을 mass cylinder에 취하고 mixing용 flask에 남아 있는 용액을

1/4 dilution beaker로 옮긴다.

⑥ mass cylinder에 있는 1/4 dilution 용액 50 ㎖을 mixing용 flask에 넣은 후 증류수 50 ㎖

을 mass cylinder로 취하여 mixing용 flask에 넣고 stirring한다 (1/8 dilution).

⑦ 1/8 dilution 용액 50 ㎖을 mass cylinder에 취하고 mixing용 flask에 남아 있는 용액을

1/8 dilution beaker로 옮긴다.

⑧ mass cylinder에 있는 1/8 dilution 용액 50 ㎖을 mixing용 flask에 넣은 후 증류수 50 ㎖

을 mass cylinder로 취하여 mixing용 flask에 넣고 stirring한다 (1/16 dilution).

⑨ 1/16 dilution 용액 50 ㎖ 정도를 1/16 dilution beaker로 옮기고 mixing용 flask에 있는

용액은 보관한다.

● 각 beaker에 들어있는 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 dilution 용액의 pH를 측정하여 기록한다.

⑶ 1/16 dilution 용액의 이온강도 조정 후 pH 측정

① 1/16 dilution 용액의 μ = 0.1이 되게 하는 NaCl 양 (C: NaCl의 몰농도)

μ = 16배 희석액의 μ + 첨가한 NaCl에 의한 μ

= 0.1 × 1/16 + 1/2 (C×12 + C×12 ) = 0.1

C = 0.094 M (volume 50 ㎖: 0.274 g)

① 50 ㎖ volumetric flask에 NaCl 0.274 g을 넣은 후 mixing용 flask에 남아 있던 1/16

dilution 용액을50 ㎖이 되도록 채운다.

②잘 stirring한 후 pH를 측정하여 기록한다.

❸ 강산과 강염기에 대한 완충작용

⑴ sodium phosphate buffer를 0.1 N NaOH로 적정

① sodium phosphate, NaOH 적정용 flask에 있는 sodium phosphate buffer 50 ㎖에 0.1N

NaOH를 1 ㎖씩 뷰렛에서 떨어뜨리면서 잘 stirring한 후 pH를 측정하여 기록한다.

⑵ 0.1 % (w/v) NaCl 수용액, 증류수를 0.1 N NaOH로 적정

① 50 ㎖ volumetric flask에 NaCl 0.05g 을 넣고 증류수로 50 ㎖을 채워 적정용 flask에 넣

는다.

② 0.1 N NaOH를 1 ㎖씩 뷰렛에서 떨어뜨리면서 잘 stirring한 후 pH를 측정하여 기록한

다.

⑶ sodium phosphate buffer를 0.1 N HCl로 적정

① sodium phosphate buffer 50 ㎖을 mass cylinder로 취하여 sod. phosphate, HCl 적정용

flask에 넣은 후 0.1 N HCl을 1 ㎖씩 뷰렛에서 떨어뜨리면서 잘 stirring한 후 pH를 측정하

여 기록한다.

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Results & Discussion

❶ 강산, 강염기의 제조 및 표정: NaOH, HCl, HAc의 factor

․oxalic acid 10 ㎖에 해당하는 NaOH: 13.5 ㎖

fNaOH = 0.74

․HCl 10 ㎖에 해당하는 NaOH: 12 ㎖

fHCl = 0.89

❷ 완충용액의 제조 및 희석에 의한 pH 변화

․이론값과 측정값의 비교 - pH 이론값은 식을 이용해서 구한다.

dilution factor 원액 1/2희석 1/4희석 1/8희석 1/16 희석

이론적 pH 7.1 7.19 7.26 7.31 7.36

실험적 pH 6.85 6.9 6.93 6.96

표 2-2. 희석에 의한 pH 변화와 이론치의 비교.

․μ=0.1이 되게 NaCl을 가한 후의 pH : 6.9

<희석에 따른 pH 변화 plot>

[그래프]

이론적 pH와 실험적 pH 사이의 차이는 이론값 계산시 완충 용액의 activity를 고려하지 않

았기 때문인 것으로 생각된다. 만일 이를 고려하여 이론값을 계산한다면 실제 pH값과 가까

워질 것이다.

❸ 강산과 강염기에 대한 완충작용

⑴ 완충용액을 0.1 N NaOH로 적정

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․완충용량 β ΔpHΔ OH

OH NN aO H × fN aO H ×사용한 bu f fer의 부피 가한 NaOH의 누적부피 ㎖ 회에 가한 NaOH의 부피 ㎖

NaOH added pH ΔpH Δ[OH] β

0 7.54 0

1 7.58 0.04 0.00145098 0.03627451

2 7.62 0.04 0.001423077 0.035576923

3 7.67 0.05 0.001396226 0.027924528

4 7.72 0.05 0.00137037 0.027407407

5 7.83 0.11 0.001345455 0.012231405

6 7.9 0.07 0.001321429 0.018877551

7 7.97 0.07 0.001298246 0.018546366

8 8.08 0.11 0.001275862 0.011598746

9 8.19 0.11 0.001254237 0.011402157

10 8.5 0.31 0.001233333 0.003978495

11 10.5 2 0.001213115 0.000606557

12 10.9 0.4 0.001193548 0.002983871

13 11.2 0.3 0.001174603 0.003915344

14 11.2 0 0.00115625

15 11.3 0.1 0.001138462 0.011384615

<적정에 따른 pH 변화 plot>

[그래프]

․이론상의 βmax 와 실제 최대 완충용량 비교

βmax = 0.576C

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NaOH added pH0 7.541 102 11.23 11.54 11.65 11.7

= 0.576 × 0.046 M = 0.026

실험상 βmax = 0.036

이론상의 βmax와는 차이가 나기는 하지만, 완충용액의 βmax는 완충용액의 pKa인 7.2에 가

까울수록 크게 나타났다.

⑵ 0.1 % NaCl, 증류수를 0.1 N NaOH로 적정

<적정에 따른 pH 변화 plot>

[그래프]

완충용액의 적정곡선과 NaCl의 적정곡선을 비교해보면 완충용액에서 pH 변화가 훨씬 작게

나타남을 볼 수 있다.

⑶ 완충용액을 0.1 N HCl로 적정

・ 완충용량 β =ΔpHΔ H

・ Δ[H+] =NH Cl× fH Cl×사용한 bu f fer의 부피 가한 HCl의 누적부피 ㎖ 회에 가한 HCl의 부피 ㎖

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HCl added pH ΔpH △[H+] β0 7.11 7 0.1 0.001745098 0.017450982 7 0 0.0017115383 6.9 0.1 0.001679245 0.0167924534 6.8 0.1 0.001648148 0.0164814815 6.7 0.1 0.001618182 0.0161818186 6.6 0.1 0.001589286 0.0158928577 6.5 0.1 0.001561404 0.0156140358 6.4 0.1 0.001534483 0.0153448289 6.3 0.1 0.001508475 0.01508474610 6.2 0.1 0.001483333 0.01483333311 6.1 0.1 0.001459016 0.01459016412 5.8 0.3 0.001435484 0.00478494613 5.4 0.4 0.001412698 0.00353174614 3.9 1.5 0.001390625 0.00092708315 3.3 0.6 0.001369231 0.00228205116 3.1 0.2 0.001348485 0.00674242417 2.9 0.2 0.001328358 0.00664179118 2.8 0.1 0.001308824 0.01308823519 2.7 0.1 0.001289855 0.01289855120 2.7 0 0.001271429

<적정에 따른 pH 변화 plot>

[그래프]

․이론상의 βmax 와 실제 최대 완충용량 비교

βmax = 0.576C (Introduction 참고)

= 0.026

실험상 βmax = 0.017

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NaOH로 적정할 때와 마찬가지로 완충용액의 pKa인 7.2에 가까울수록 완충용량이 크게 나

타난다.

Assignment

1) 0.1M 초산용액의 pH는 얼마인가? (초산의 pKa=4.76) 충분한 양의 초산나트륨을 가하여

이 염으로써 0.1 몰 용액이 되게 한 후의 pH는 얼마인가?

약산의 [H3O+]=KaC 로부터, 0.1M 초산 용액의 pH는 2.88이며, 초산나트륨을 가하여 0.1

몰 용액이 되게 한 후의 pH는 pH = pKa + log산 염

- A

= 4.58이다.

2) 용액 1L중에 0.3mol의 K2HPO4와 0.1mol의 KH2PO4를 함유하고 있는 완충용액의 이온강

도를 계산하여라.

(0.3×2×12+0.3×1×22+0.1×1×12+0.1×1×12)=1