일반화학실험 I 8. 산화-환원 적정 : 과망간산법

1. 실험 제목 : 산화-환원 적정:과망간산법 ​

 

2. 실험 날짜 : 2015.05.19.

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3. 실험 목적 : 과망간산 칼륨과 과산화수소의 산화-환원 반응을 이용해서 과산화수소 수용액의 순도를 결정한다.

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4. 이론

 산화-환원 반응은 산-염기의 중화 반응과 마찬가지로 우리 주변에서 많이 일어나고 있는 매우 중요한 반응이다.

 화합물은 양전하를 가진 원자핵들 주위에 음전하를 가진 전자가 구름처럼 분포하고 있는 구조로 되어 있다. 화합물을 둘러싸고 있는 전자는 화합물의 종류에 따라서 쉽게 떨어져 나갈 수 있는 경우도 있고, 그렇지 않은 경우도 있다.

 그러므로 서로 다른 종류의 화합물들이 서로 가까이 다가오게 되면 한 화합물로부터 다른 화합물로 전자가 옮겨가는 화학 반응이 일어날 수 있다.

 

 이처럼 화합물 사이에 전자가 옮겨가는 밤ㄴ응을 산화-환원 반응이라고 한다.

 산화-환원 반응에서 전자를 잃어버리는 화합물은 “산화”되었다고 하고, 그 전자를 받아들이는 화합물은 “환원”되었다고 한다.

 전자를 내어주어서 다른 화합물을 환원시키는 화합물을 환원제(또는 전자주개)라고 하고, 전자를 받음으로써 다른 화합물을 산화시키는 화합물을 산화제(또는 전자받개)라고 한다.

 

 철(Fe)이 공기 중에 산소와 반응해서 산화철(Fe2O3)이 되는 경우에 철은 전자를 내어줌으로써 산소를 환원시키고 자신은 산화된다. 석탄의 탄소나 휘발유의 탄화수소가 공기 중의 산소와 결합하여 이산화탄소와 물이 만들어지는 반응이나, 녹색 식물의 잎에서 탄수화물과 함께 산소가 만들어지는 반응도 모두 산화-환원 반응이다.

 이 밖에도 시계나 계산기에 사용되는 전지도 산화-환원 반응을 이용하고 있다. 산화-환원 반응은 산-염기 반응과 마찬가지로 정량적으로 일어나기 때문에 시료의 농도를 알아내는 부피 분석법으로 활용될 수 있다.

 농도를 정확하게 알고 있는 산화제 또는 환원제의 표준 용액으로 시료를 완전히 산화 또는 환원시키는 데 필요한 양을 측정하면 시료에 들어있는 물질의 농도를 알아낼 수 있다.

 

 산화-환원 적정의 종말점은 여러 가지 방법으로 알아낼 수 있다. 일반적으로 화합물이 산화되거나 환원될 경우에는 색깔이 변화하는 경우가 많기 때문에 사용한 산화제나 환원제의 색깔 변화로부터 종말점을 직접 알아낼 수 있는 경우도 있고, 산-염기 적정에서처럼 지시약을 사용하기도 하며, 전기적인 방법을 사용하기도 한다.

 적정에 많이 사용되는 산화제로는 다이크롬산 칼륨(K2Cr2O7), 황산수소 세륨(Ce(HSO4)4) 및 하이포아 염소산 나트륨(NaOCl)등이 있지만, 가장 흔히 사용되는 것은 과망간산 칼륨(KMnO4)과 요오드(I2)이다. 다이크롬산 칼륨의 경우에는 고체의 무게를 정확하게 재어서 표준 용액을 쉽게 만들 수 있지만, 대부분의 경우에는 환원제를 일차 표준 물질로 사용해서 표준화를 한 후에 적정에 사용하게 된다.

 과망간산 칼륨은 순수한 상태로 얻기가 어렵고 대부분의 경우에 소량의 이산화망간이 들어있어서 옥살산 나트륨, 옥살산, 산화 비소(III), 순수한 철, 모어염과 같은 일차 표준 물질로 표준화해야만 한다. 옥살산 나트륨은 과망간산 칼륨과 다음과 같이 반응한다.

 다이크롬산 칼륨과 과망간산 칼륨은 수질 오염의 척도인 화학적 산소요구량(COD)을 측정하는 산화제로 사용된다. 화학적 산소 요구량은 오염된 물 속에 들어있는 산화될 수 있는 오염 물질의 총량을 나타낸다 .

 수질 오염을 확인하는 데에는 다이크롬산 칼륨의 크롬 6가 이온 자체가 수질 오염의 원인이 되기 때문에 산화력은 약간 떨어지지만 오염 문제가 ㅈ거은 과망간산 칼륨이 더 많이 사용된다. 세륨(IV) 이온도 산화력은 강하지만 값이 비싸서 일반적으로 사용하기는 어렵다.

 하이포아염소산 나트륨은 가정용 세탁시 표백제로 사용되고 있으며, 여기서 발생되는 염소 기체는 음용수의 소독용으로도 사용된다. 과망간산 칼륨은 산성과 염기성 용액에서 모두 사용할 수 있지만, 산성 용액에서 사용하는 경우가 더 많다. 산성용액에서 MnO4-이온은 Mn2+이온으로 환원되면서 시료를 산화시킨다.

 산성용액에서 과산화수소와 과망간산 칼륨을 반응시키면 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나면서 Mn04-의 짙은 자주색이 사라진다.

 즉, 과망간산 이온과 과산화수소는 2:5의 비로 반응하며, 용액 속의 과산화수소가 모두 산화되어 Mn2+이온이 된 후에는 용액 속에 과망간산 이온의 엷은 자주색이 나타나게 되어서 종말점 결정에 이용할 수 있다.

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5. 실험기구 및 시약

A. 실험 기구

100mL 부피 플라스크(volumetric flask)

250mL 삼각 플라스크(Erienmeyer flask)

10 mL 피펫(pipet)

갈색 시약병(brown reagent bottle)

온도제(lab thermometer)

50mL 뷰렛(buret)

물중탕(water bath) 용기(500mL)와 가열판(hot plate)

화학 저울(chemical balance)

눈금 실린더(100mL, graduated cylinder)

 

B. 시약

0.02 M KMn04표준 용액(potassium permanganate standard solution)

옥살산 나트륨(Na2C2O4)(sodium oxalte)

H2SO4 (1:1)(sulfurie acid) 3%

H2O2 (hydrogen peroxide) ​

 

6. 실험방법

실험 A. 과망간산 칼륨 용액의 표준화

 1) 순수한 옥살산 나트륨 약 0.7g의 무게를 화학 저울로 정확하게 측정해서 100mL 부피 플라스크에 넣고, 소량의 증류수로 완전히 녹인 후에 눈금까지 증류수를 채우고 잘 섞어서 표준 용액을 만든다.

 2) 피펫으로 표준 용액 10mL를 정확하게 취해서 250mL 삼각 플라스크에 넣고, 60mL의 증류수와 1:1 황산 5mL를 넣어준다.

 3) 삼각 플라스크를 온도가 70~80°C 정도인 물중탕에 넣어서 잘 흔들어 주면서 과망간산 칼륨 표준 용액이 담긴 뷰렛을 이용해서 적정한다. 과망간산 칼륨을 너무 빨리 넣지 않도록 한다.

삼각 플라스크를 흔들어주면 과망간산 칼륨의 엷은 자주색이 없어진다. 그러나 종말점이 가까워지면 색깔이 없어지는 시간이 점점 길어질 것이다. 과망간산 칼륨 용액 한방울을 넣어서 엷은 자주색이 30초 이상 남아있으면 종말점으로 한다.

 4) 적정 실험을 두 번 더 반복해서 과망간산 칼륨 용액의 정확한 농도를 결정한다.

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실험 B. 과산화수소 용액의 정량

1) 3% 과산화수소 수용액 5mL 를 정확하게 측정해서 100mL 부피 플라스크에 넣고 증류수를 눈금까지 채운다.

2) 이 용액 10mL를 정확하게 취해서 250mL 삼각 플라스크에 넣고 용액의 부피가 약 100mL가 되도록 증류수를 묽힌 다음 1:1 황산 10mL를 넣는다.

3) 뷰렛에 0.02 M KMnO4표준 용액을 넣고, 상온에서 삼각 플라스크를 잘 흔들어 주면서 적정한다. 실험 A와 같은 방법으로 종말점을 결정한다.

4) 적정을 두 번 더 반복해서 과산화수소 용액의 농도를 결정한다.

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7. 참고사항

 1) 산화제 : 산화-환원반응에서 자신은 전자를 얻으면서 환원되면서 남을 산화시키는 물질 2) 환원제 : 산화-환원반응에서 자신은 전자를 잃으면서 산화되면서 남을 환원시키는 물질 ​

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8. 실험결과

{실험2. H2O2 수용액의 정량}

① KMnO4 용액의 몰농도 0.02 M

② 소비된 KMnO4 용액의 부피 16.7 ml

③ H2O2 용액의 몰농도 0.003 M MV=M`V`를 이용하면

과산화수소 용액의 몰농도 * 110mL = 0.02M * 16.4mL 과산화수소 용액의 몰농도 =0.003036M

④ H2O2 용액의 노르말농도 0.05 N 노르말 농도=H2O2의 몰농도* H2O2 의 당량수/ KMnO4 의 부피 =0.003M * 2 / 0.110L = 0.05454 ​

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화학이론과 실험내용과의 연관성/ 참고사항 추가조사/ 실험오차, 오차의 원인 등

 

9. 결과 및 토의

 과망간산 칼륨과 과산화수소의 산화-환원 반응을 이용해서 과산화수소 수용액의 순도를 결정하는 실험을 하였다.

 산화-환원 반응이란 반응물 간의 전자 이동으로 일어나는 반응으로 산화와 환원이 동시에 일어나며 전자를 잃은 쪽을 산화되었다고 하고 전자를 얻은 쪽을 환원되었다고 한다.

 이번 실험을 통해 오차가 발생하였는데, 오차의 원인을 찾아보니 과산화수소를 과망간산칼륨으로 적정할 때 여러 번 적정을 해야 하는데 시간이 한정되어 있었기 때문에 많은 횟수를 측정하지 못하여서 오차가 발생했을 수 있다. 그리고 과산화수소 등 용액의 부피를 잴 때 눈금을 정확히 맞추지 못해서도 오차가 발생할 수 있다.

 과망간산은 MnO4-일 때는 적자색을 나타내지만 당량점이후에는 자주색을 나타내게 되는데 적자색과 자주색의 색 차이를 사람의 눈으로 구별해야 했기 때문에 사람마다 그 기준이 다를 것이고 오차가 발생할 것이다.

 또한 이 과망간산은 이온의 자체 색의 변화로 종말점을 알 수 있기 때문에 별도의 지시약이 필요 없다고 한다.

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