pH 측정
산(acid)과 염기(base)는 일상생활에서 우리들이 손쉽게 접하는 물질이다.
예를 들면 대부분의 과일, 식초, 탄산음료, 김치, 요구르트 및 벌의 침 등에는 산이 존재한다.
그리고 막힌 배수구를 뚫을 때 사용하는 일명 "뚫어뻥"과 베이킹 소다, 암모니아수 및 비누 등에는 염기가 존재한다.
일반적으로 산은 신맛을 지니며, 염기는 쓴맛을 지닌다.
스웨덴의 화학자 아레니우스(Arrhenius)는 산은 수용액 중에서 해리되어 수소이온(H+)을 만드는 물질이며, 염기는 수용액 중에서 해리되어 수산화이온(OH+)을 만드는 물질이라고 정의하였다.
수소이온은 수용액 중에서 해리되어 수산화이온(OH-)을 만드는 물질이라고 정의하였다.
수소이온은 수용액 중에서 수소이온으로 존재하는 것이 아니라 물 분자와 결합하여 옥소늄 이온(oxonium ion, H3O+)의 형태로 안정하게 존재한다고 알려져 있지만, 아직도 그냥 수소이온으로 표현하는 경우가 많다.
▶ 해리 : 분해와 화합이 발생하는 가역반응에서 분해가 발생하는 방향의 반응을 해리라고 하는데, 해리는 열해리(가열에 의한 분해)와 전리(이온의 생성)로 나누어진다.
달걀 껍질에 식초를 몇 방울 떨어뜨리면 작은 거품이 일어나는데 이것은 식초 중의 산성물질인 초산(CH3COOH)이 달걀 껍질 성분인 탄산칼슘(CaCO3)와 반응하여 달걀 껍질을 녹이기 때문이다. 만약 달걀 껍질에 다른 산인 염산(HCl)을 떨어뜨리면 초산과는 달리 매우 격렬하게 거품이 일어나는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 우리 주변의 산에는 그 성질이 강한 것과 약한 것이 있다. 이것은 염기도 마찬가지이다. 산과 염기는 용액 중의 수소이온 또는 수산화이온의 농도에 따라 강산과 약산 또는 강염기와 약염기로 분류된다. 즉, 산으로부터 생성된 수소이온의 농도가 높으면 강산, 낮으면 약산 그리고 염기로부터 생성된 수산화이온의 농도가 높으면 강염기, 낮으면 약염기라고 한다.
pH 미터
pH미터는 용액의 pH를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 기기이다. pH미터는 시료 용액에 전극을 담그고 그 때 발생하는 전위를 측정하여 수소이온의 농도를 측정하는 기기이다. 즉, pH미터는 항상 일정한 전위를 가지고 있는 은-염화은 기준전극과 지시전극인 수소이온 선택성 유리전극을 짝지어 시료용액에 담그고 두 전극 사이의 전위를 측정하고, 이것으로부터 시료용액의 pH(수소이온농도)를 구하는 장치이다.
1) 기준전극과 지시전극
pH미터에는 2가지 전극, 즉 기준전극(reference electrode)과 지시전극(indicartor electrode)이 있다.
기준전극은 전극전위가 항상 일정한 값을 유지하여 지시전극의 전극전위를 측정하는데 대조전극으로 이용되는 것을 말하고, 지시전극은 측정하고자 하는 화학종(pH미터에서는 H+)의 활용도에 따라 그 전극전위가 결정되는 전극을 말한다.
(1) 기준전극
기준전극이 언제나 일정한 전극전위를 유지하기 위해서는 은-염화은 전극이 담겨 있는 KCl용액의 염화이온(Cl-, chloride ion)의 농도가 언제나 일정해야한다. 때문에 은-염화은 기준전극이 담겨 있는 KCl용액은 KCl포화용액을 사용한다. 기준전극과 시료용액은 KCl염다리(salt bridge)에 의하여 전기적으로 접촉한다.
(2) 지시전극
pH미터에서 지시전극은 얇은 막으로 된 수소이온 선택성 유리전극을 사용한다.
1.막전극
2.수소이온 선택성 유리전극
3.수소이온 선택성 유리전극에서 발생하는 막전위
4.비대칭전위
(3) pH미터의 전극에서 측정되는 전위
pH미터의 전극에서 측정되는 전위는 기준전극의 전위(염화이온의 농도가 고정되어 있음), 지시전극(수소이온선택성 유리전극)의 전위 그리고 액간 접촉전위로 구성된다. pH미터의 전극에서 발생하는 전위를 측정하면 시료용액의 pH를 구할 수 있다. 이론적으로는 25도에서 시료용액의 pH가 1단위 변할 때마다 59.16mV씩 차이가 있다.
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