1. Introduction

1.1 실험 동기 및 목적

본 실험에서는 화학적 특성이 서로 다른 약산인 아세트산(Acetic acid)과 살리실산(Salicylic acid)을 혼합한 물질을 역상 크로마토그래피 카트리지를 이용해 분리하고 중화 적정의 원리를 이용하여 각각의 화학종의 몰농도를 계산해 보는 것이 이번 실험의 목적이다. 또한 실험과정에서 필요로 한 NaOH 용액을 페놀프탈레인 용액을 이용하여 정확한 몰농도인지 확인하는 표준화 과정 또한 거친다. 실험을 통하여 약산과 그 강염기를 이용한 적정을 정량적으로 분석하여 몰농도를 구해보고, 극성, 무극성, 소수성 등 다양한 상호작용을 실험을 통해 체득할 수 있다.

1.2 이론적 배경

1.2.1 크로마토그래피

크로마토그래피란 화학적 성질이 다른 두 물질을 분리하는 방법으로, 분자 간 상호작용을 할 때 극성 물질은 극성 물질끼리, 비극성 물질은 비극성 물질끼리 잘 상호작용한다는 전제를 이용하여 물질을 분리하는 방법이다. 크로마토그래피에서 분리하고자 하는 물질은 액체 혹은 기체 용매에 용해되어 있으며 이를 이동상(mobile phase)라 부른다. 또한, 이동상은 종이, 얇은 막, 튜브와 같이 고정되어 있는 부분을 지나가게 되는데, 이렇게 이동상에 대해 고정되어 있는 관, 종이, 튜브를 채우고 있는 물질을 고정상(stationary phase)라고 부른다.

Figure 1, 2. 여러 종류의 크로마토그래피 (Column, Paper Chromatography). 1

혼합물의 각 성분은 고정상에 대해 서로 다른 친화도(affinity)를 가지고 있으므로 이동상이 고정상을 이동할 때 각 성분의 이동 속도가 서로 달라지게 된다. 이러한 이동 속도의 차이를 이용하여 시료를 정성, 혹은 정량적으로 구분해낼 수 있다. 본 실험에서는 분자 자체의 성질인 극성에 따라 고정상에서의 이동속도 차이를 이용하므로, 고정상과 이동상의 극성의 정도가 서로 달라야 한다. 극성이 높은 고정상을 사용하고 극성이 낮은 이동상을 사용하는 크로마토그래피를 정상 크로마토그래피, 반대로 극성이 낮은 고정상, 극성이 높은 이동상을 사용하는 경우를 역상 크로마토그래피라고 부른다. 고정상과 극성이 비슷한 성분일수록 고정상이 더 강하게 붙잡아 이동 속도가 느려지므로, 역상 크로마토그래피에서는 극성이 높은 화학종이 먼저, 극성이 낮은 화학종이 나중에 용출될 것으로 추론해볼 수 있다.

크로마토그래피는 고정상의 배치 방법에 따라 여러 종류로 구분될 수 있으나, 본 실험에서는 원통형 튜브 속에 고정상이 들어있는 C-18 카트리지를 이용한 관 크로마토그래피를 수행하게 되므로, 이에 대해 집중적으로 다루고자 한다.

Figure 3. Column Chromatography의 실재

Column Chromatography의 가장 큰 특징은 중력에 의한 양의 압력을 받아 이동상이 상부에서 하부로 이동한다는 것이다. 역상 크로마토그래피에서 고정상은 극성이 낮은 고정상을 사용하므로 극성 물질은 아래 방향의 압력으로 인해 빠르게 관을 통과하여 먼저 관을 빠져나오게 된다. 반대로 무극성에 가까운 물질은 고정상과의 상호작용으로 인해 상대적으로 천천히 관을 빠져나오게 된다.2 이 때 Column 혹은 카트리지를 액체가 빠져나오는 것을 용출, 혹은 Elution이라고 부르게 되는데, 카트리지의 위쪽에 투입하는 이동상을 Eluent라고 부른다[3].

1.2.2 적정

적정이란, 정량 분석의 한 방법으로 농도를 이미 알고 있는 용액을 이용하여 분석 대상 용액인 analyte의 몰농도를 정확히 결정하기 위해 사용되는 방법이다.

Figure 4. 적정 실험장치

일반적인 적정은 우측의 Figure 4.와 같이 삼각 플라스크나 비커에 analyte와 약간의 지시약을 담고 스탠드와 클램프로 뷰렛을 삼각 플라스크 위에 배치하여 투입한 적정제의 부피를 정확히 알 수 있도록 배치하여 진행한다. 코크를 열어 적정제를 조금씩 투입하고 삼각 플라스크를 흔들어 용액이 섞이게 하여 지시약에 의해 색이 변할 때까지 실험을 진행한다. 지시약에 의해 analyte의 색이 변한 순간 뷰렛에서 떨어트린 적정제의 부피를 이용하여 analyte의 농도를 정량적으로 결정할 수 있다.

분석 대상 analyte의 몰 농도는 다음과 같은 식에 의해 결정된다.

\[C_{a}=\left(\frac{C_{t}\times V_{t}\times M}{V_{a}}\right)\tag{1}\]

이 때 $V_{a} , V_{t}$는 각각 분석대상 용액, 적정제의 부피이며, $C_{t}$는 적정제의 몰농도, M은 분석 대상 용액의 몰수이다. $V_{t}$를 제외한 값은 실험 전부터 알 수 있으며 실험을 통해 $V_{t}$를 구할 수 있으므로, 적정을 통하여 정량적으로 분석 대상용액의 몰농도를 알 수 있다. 이 때 첨가된 지시약은 미량으로 분석 대상용액과 적정제의 반응에 영향을 미치지 않는다고 근사할 수 있다. 적정은 일어나는 반응에 따라 구분할 수 있으며 일반적으로 자주 사용하는 적정은 산-염기 적정과 산화-환원 적정이 있다. 산-염기 적정은 산의 수소 이온($H^{+}$)과 염기의 수산화 이온($OH^{-}$)이 물을 생성하는 중화 반응에서 이온의 비율이 1:1인 점을 이용하여 적정하는 방법이다. 일반적으로 중화반응은 매우 빠르게 일어나므로, 지시약의 변색 반응을 통해 육안으로 pH의 변화를 확인하여 측정하게 된다.

1.2.3 몰농도의 정의와 그 계산

몰농도 M(mol/L)란 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 양을 mol 단위로 나타낸 것이다. 이 때 1mol이란 어떤 입자 혹은 분자가 아보가드로수 $N_{A}=6.02\times 10^{23}$ 만큼 있을 때 이를 1mol이라고 정의한다. 또한 몰수는 실제 입자의 질량을 그 입자의 분자량으로 나눈 것이므로, 이를 이용하여 입자의 질량과 용액의 부피를 알면 용해된 용액에서의 몰농도를 계산할 수 있다.

1.2.4 pKa와 pH의 관계

pKa란 산의 강도를 나타내는 하나의 척도로, 산이 그 수용액 속에서 이온화 평형 상태에 있을 때의 평형상수를 Ka라고 하면, 이 값에 밑이 10인 로그를 취한 뒤 부호를 바꾸어 준 것이 pKa이다. 산이 물에서 해리되는 반응에 대한 평형상수 식을 세워보자.

\[HA+H_{2}O⇌A^{-}+H_{3}O^{+}\tag{2}\]

식 (2)에 대한 평형상수 식을 표현할 수 있으며, 물의 몰농도는 반응 전후에서 일정하다고 볼수 있기 때문에, 산의 종류에 따라 달라지는 농도들을 이용하여 산의 해리 상수 혹은 이온화 상수를 표현하면,

\[K_{a}=\frac{\left[A^{-}\right] [H_{3}O^{+}]}{\left[HA\right]}\tag{3}\]

다음 식과 같이 표현된다. 식 (2)의 정반응이 더 활발하게 진행되면, 즉 산이 물에 잘 해리되면, 식 (3)의 분모는 작아지고 분자는 커져 산 이온화 상수가 커지게 되므로, 더 강한 산일수록 Ka의 값이 크다. 이 때 약산 HA에 대하여 식 (3)에 밑이 10인 로그를 취하여 정리하게 되면,

\[\begin{aligned} log_{10}K_{a}=log_{10}\frac{\left[A^{-}\right] }{\left[HA\right]}+log_{10}[H_{3}O^{+}] \\ pH=pK_{a}+log_{10}\frac{\left[A^{-}\right] }{\left[HA\right]}=pK_{a}+log_{10}\frac{\left[Base\right] }{[Acid]} \end{aligned}\tag{4}\]

식 (4)를 얻어낼 수 있으며, 이는 약산에서의 pH와 pKa와의 관계이자, 완충 용액에서의 Henderson-Hasselbalch 식과 같다. 즉 온도가 일정할 때 산의 종류에 따라 Ka와 pKa가 결정되고, 주변 환경에 따라 결정되는 $\left[A^{-}\right]$, $\left[HA\right]$에 pH가 결정된다는 사실을 알 수 있다. 즉 pH는 pKa보다 크거나, 작거나 혹은 같을 수도 있다.

2. Data and Results

2.1 실험 준비물

C-18 카트리지, 10mL 및 1mL Syringe, 1.0mL Pipette, 시험관 20개, 뷰렛, 50mL 삼각 플라스크, 아세트산과 살리실산 혼합 용액(두 용액의 농도를 합쳐 대략 20mM), 약 5mM의 NaOH용액, 자석 교반기, 페놀프탈레인 지시약, KHP(Potassium Hydrogen Phthalate) 표준용액 100mL (약 6mM)

2.2 실험 방법

2.2.1 NaOH 표준용액의 제작

1. 표준용액이란 산-염기를 통한 적정에서 용액의 정확한 농도를 아는 적정제를 의미한다. 본 실험에서는 NaOH의 대략적인 농도를 알고 있지만, 적정에 사용하기 위해 정확한 몰농도를 계산하기 위해 NaOH의 몰농도의 표준화 과정을 거쳐야 한다. 정확한 몰농도가 주어진 KHP(Potassium Hydrogen Phthalate) 용액 1.0mL를 vial에 취하여 페놀프탈레인 지시약 용액을 두어방울 섞는다.
2. 뷰렛에 NaOH 용액을 깔때기를 이용하여 담는다. 콕 부분의 공기방울을 제거하기 위해 나사를 돌려 NaOH가 흘러내리게 한 후, 적정한다. 자석 교반기를 이용하여 vial 속 액체가 섞이도록 한 상태에서 한방울씩 NaOH를 떨어트리며 당량점에 도달한 직후에 나사를 잠구어 준다. NaOH는 염기성 용액이므로 NaOH 용액을 조금씩 첨가하며 플라스크를 섞어주면, 전체 용액의 pH는 높아지고, 용액이 당량점에 도달하는 순간 페놀프탈레인 지시약에 의해 연한 핑크색이 남기 시작한다.
3. 적정의 결과로부터 NaOH 용액의 몰농도를 계산한다. 계산시 NMV = N’M’V’ 식을 이용한다.
4. 구한 농도가 NaOH 용액의 원래 농도의 범위에서 벗어나면 실험을 다시 반복하여 적정한다.
5. 1.0mL의 증류수를 NaOH로 적정하여 black 값으로 활용한다.

2.2.2 혼합 용액의 Total acidity 구하기

1. 2.2.1에서의 NaOH 표준화 과정과 동일하게 피펫으로 1.0mL의 아세트산과 살리실산 혼합용액을 취하여 앞서 만든 NaOH 용액으로 적정한다. 지시약으로는 페놀프탈레인 용액 두방울을 사용한다. 앞선 실험에 비해 용액의 부피가 크므로 직접 손으로 흔들어 섞어주어야 한다. 단, 플라스크를 너무 세게 흔들면 공기중의 이산화탄소가 용액에 녹아 탄산이 되어 오차의 요인이 될 수 있으므로 주의해야 한다.

b) 1.0mL의 증류수를 NaOH로 적정하여 black 값으로 활용한다.

2.2.3 산의 분리와 적정

1. 5mL 정도의 20% 에탄올이 채워진 10mL Syringe를 C-18 카트리지에 연결하고, 이를 밀어넣어 카트리지 내부를 EtOH로 채운다.
2. 피펫을 이용하여 1.0mL의 산 혼합 용액을 취하여 카트리지에 시료를 Load 한다. 이 때 elution 되는 액체를 1번 시험관에 받는다.
3. 1mL Syringe를 이용하여 1mL의 EtOH로 카트리지를 elution하면서 흘러나오는 eluent를 2, 3, … 번 시험관에 받는다. 20번 시험관 까지 동일한 작업을 반복한다.
4. 1~20번까지 채워진 산을 분리된 순서대로 NaOH 용액으로 적정한다.

2.3 실험 데이터

2.3.1 증류수에 대한 blank 값 계산

적정제에 포함된 화학종에 의한 효과가 아닌, 동일 부피의 증류수에 의해서만 나타나는 효과를 offset 취급하여 실험과 동일한 부피의 증류수에 대해서 NaOH로 적정을 하고, 이를 blank 값으로 계산하여 보정해주어야 한다. 순수한 증류수에 페놀프탈레인을 한방울 넣고 NaOH를 넣었을 때 단 한 방울만으로 용액의 색이 변하였으므로, 증류수의 blank 값은 1방울에 해당하는 부피임을 알 수 있다.

2.3.2 1방울에 해당하는 부피 계산

한 방울에 해당하는 부피는 뷰렛의 최소 눈금의 1/10인 0.1mL보다도 작은 양이기 때문에 한 방울의 부피를 정확히 측정하는 것 보다는 각 물방울의 부피가 모두 동일하다는 가정 하에 수십 방울의 부피를 측정하고, 이를 물방울의 숫자로 나누어 부피를 계산하는 편이 더 정확하다. 처음 시작 지점에서의 뷰렛의 부피가 15.00mL일 때 30 drops를 떨어트린 이후 16.81mL가 되었기 때문에 유효숫자를 고려하여 한 방울의 부피는 0.060mL임을 확인할 수 있다. 이를 앞서 증류수에 대해 결정한 blank 값을 보정하는데 사용할 수 있을 것이다.

2.3.3 실험 1) NaOH 표준화를 통한 NaOH의 몰농도 계산

KHP 용액은 몰질량이 204.22g/mol인 1가 산성 염 화합물이다. 본 실험에서 사용된 KHP 용액을 만들기 위해 사용한 KHP의 질량은 308mg, 부피는 250mL이므로, 몰농도를 계산하면,

\[M=\frac{w}{M_{KHP}\times V}=\frac{0.308}{204.22\times 0.250}=6.033\times 10^{-3}mol/L\tag{5}\]

이는 6.033mM이며, 실험 1에서는 1mL의 KHP 용액을 사용하였으므로, $6.033\times 10^{-6}mol$ 만큼의 KHP가 용액 속에 존재한다. 이를 NaOH 1.34mL를 이용하여 적정하였으므로 증류수의 blank 값을 고려하여 NaOH 부피를 1.28mL라고 하면, nMV=n’M’V’ 공식을 사용할 수 있다. 산과 염기 모두 1가 산, 1가 염기이므로 MV=M’V’이고,

\[\begin{aligned} MV=\left(6.033⋅10^{-3}\right)\times 10^{-3}=M^{'}\times {(1.34-0.06)⋅10^{-3}} \\ M^{'}=4.71\times 10^{-3} M=4.71mM \end{aligned}\tag{6}\]

대략 5mM정도의 NaOH 용액을 제조하였으나, 실제 적정을 통해 계산된 NaOH 용액의 몰농도는 4.71mM으로 원래 5mM으로 기대되었던 몰농도보다 낮은 값을 얻을 수 있었다.

2.3.4 실험 2) 약산 혼합 용액의 적정

실험 1에서 분석한 방법과 마찬가지로 nMV=n’M’V’ 공식을 이용하여 약산 혼합 용액에서의 산의 총 몰수를 구할 수 있다. 이 때 약산 혼합 용액을 적정할 때 한 방울이 뷰렛의 끝부분에 맺혔으므로 이를 반영하여 blank값까지 고려하여 총 두 방울에 해당하는 부피, 즉 0.012mL의 오차를 측정된 부피로부터 제하여 주어야 한다. 측정된 부피는 4.63mL로, blank값과 오차를 고려하여 적정을 위해 사용된 NaOH 용액의 부피는 4.51mL이다. 살리실산과 아세트산 모두 1가산이므로 이를 고려하여 단순히 n=1을 적용할 수 있다.

\[\begin{aligned} MV=\left(4.71⋅10^{-3}\right)\times {(4.63-0.12)⋅10^{-3}}=M^{'}\times (1⋅10^{-3}) \\ M^{'}=21.2\times 10^{-3} M=21.2mM \end{aligned}\tag{7}\]

blank 값과 NaOH의 몰농도를 고려한 아세트산-살리실산 혼합 용액에서 산의 총 몰농도는 21.2mM이 도출되었다. 이를 1mL 혼합용액에 포함된 산의 몰수로 환산하면 $2.12\times 10^{-5}mol$ 임을 알 수 있다.

2.3.5 실험 3) 산의 분리와 적정

실험 2에서 사용한 방법과 동일하게, 1mL 씩 담긴 시험관 1번부터 20번까지 동일한 NaOH 용액으로 적정하였다. 이 때에도 식 (7)과 같이 MV=M’V’ 을 사용할 수 있는데, 이 때 시험관 번호에 따라 사용된 NaOH의 부피가 다르므로, 이를 변수로 취급하여 계산하였다.

\[MV=\left(4.71⋅10^{-3}\right)\times {(x-x_{b})⋅10^{-3}}=M^{'}\times (1⋅10^{-3})\tag{8}\]

$x$는 n번째 분리용액을 적정하는데 사용된 NaOH의 부피를 의미하며, $x_{b}$는 blank값과 추가로 포함된 마지막 방울에 대한 오차, 즉 0.06이나 0.12mL를 의미한다. 즉, blank 값을 고려하여 식을 계산하였다. 이를 통해 계산된 시험관 번호별 산의 몰수는 다음과 같다.

번호	몰수[mol]	번호	몰수[mol]	번호	몰수[mol]	번호	몰수[mol]
1	0	6	$5.636⋅10^{-7}$	11	$1.977⋅10^{-6}$	16	0
2	$5.649⋅10^{-6}$	7	$7.520⋅10^{-7}$	12	$1.552⋅10^{-6}$	17	0
3	$3.437⋅10^{-6}$	8	$1.082⋅10^{-6}$	13	$6.107⋅10^{-7}$	18	0
4	$3.752⋅10^{-7}$	9	$1.129⋅10^{-6}$	14	$4.396⋅10^{-8}$	19	0
5	$3.752⋅10^{-7}$	10	$1.169⋅10^{-6}$	15	0	20	0

undefined Table 1. NaOH와의 적정을 통해 구한 각 시험관 별 산의 몰수 (blank, 특이사항 고려)

Table 1은 식 8에 주어진 시험관 번호 별 NaOH의 부피를 x에 대입하고, $x_{b}$에 blank 값과 특이사항을 고려하여 0.06 혹은 0.12mL을 대입한 뒤 구해진 M’ 값을 1000으로 나누어 (1mL에 포함된 산의 몰수를 구해야 하므로) 이를 표로 정리한 것이다. 2, 3번 시험관에서 한번 급격한 Peak를 이루고, 7~13번 시험관에서 절댓값이 작고 기울기도 완만한 broad한 Peak가 한번 더 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 또한 Table 1에서 구한 각 시험관별 산의 몰수를 모두 더한 값은 $1.924⋅10^{-5}mol$로, 실험 2에서 구한 몰수인 $2.12⋅10^{-5}mol$과 유사한 값을 확인할 수 있다. 물론, 시험관 속 담긴 액체의 부피가 1mL로 일정하지 않은점, NaOH의 최소 부피 단위가 한방울인 0.06mL인 점, 주로 페놀프탈레인의 변색지점에서는 실제 산의 양보다 NaOH를 더 많이 넣는 점 등을 고려해보았을 때 -9.24%라는 음의 편차는 수용 가능한 오차로 보인다.

Figure 5. Syringe 번호에 따른 NaOH 적정을 통해 계산된 산의 몰수

Figure 5는 Table 1의 자료를 시각화한 것으로 각 시험에서 구해진 몰수가 푸른색 점으로 Mark 되어 있다. 단, 시험관 번호는 불연속적인 값이므로 시험관 번호 사이를 연속된 선으로 잇는 것은 옳지 않으므로 어느 정도의 경향성만을 확인하는 차원에서 붉은 색 점선을 이용하여 점들 간의 관계성을 표시하였다.

2.4 실험 결과 분석

2.4.1 앞쪽 Peak와 뒤쪽 Peak의 산의 종류 결정

아세트산과 살리실산이라는 두 산의 특성을 살펴보면, 두 산 모두 카복실기 (-COOH)를 가지는 약한 유기산이라는 공통점이 있지만, 나머지 부분에서는 아세트산의 경우 메틸기(-$CH_{3}$), 살리실산의 경우는 벤젠과 하이드록시기가 결합한 형태인 하이드록시페놀기(Hydroxyphenyl)를 가지고 있기 때문에 크기가 더 작아 전자가 더 비편재화된 아세트산 쪽이 극성이 더 강하다[4]. 앞서 이론적 배경에서 설명하였듯이 역상 크로마토그래피는 극성이 낮은 물질을 고정상으로 하는 경우이므로, 상대적으로 극성 물질인 아세트산이 빠르게 빠져나와 시험관 번호 1~3에 해당하는 첫번째 sharp 한 peak를 이루고, 비극성 물질에 가까운 살리실산은 천천히 빠져나오므로 시험관 번호 5~13에 해당하는 broad한 두번째 Peak를 이루게 되는 것이다.

2.4.2 두 Peak의 형상 차이 분석과 두번째 Peak를 Sharp하게 만들기 위한 방법

앞서 언급하였던 sharp한 첫 번째 peak는 sharp한 개형을 이룬 반면에, 두 번째 peak는 상대적으로 broad한 peak이다. 시험관 번호는 이동상에 의해 빠져나온 액체의 오름차순 정렬(빨리 나온 물질일수록 더 작은 번호)이기 때문에 정확히 시간과 비례하는 것은 아니지만, 가로축을 용액이 용출되는 시간과 관련된, 혹은 연관된 Term으로 간주할 수 있다. 즉, Peak가 sharp하거나 broad 하다는 것은 비슷한 짧은 시간 동안에 한번에 많은 양의 산이 카트리지 밖으로 용출되었다(sharp)거나, 오랜 시간 동안에 적은 양의 산이 지속적으로 카트리지 밖으로 용출되었다(broad)라고 해석할 수 있다. 시험관 번호는 시간 순서인 것은 맞지만 이를 시간으로 치환하는 것은 무리가 있으므로 실험 setting을 바꾸어 연속적으로 이동상을 흘려주고, pH meter 등을 사용하여 시간에 따른 pH의 변화를 확인하는 방법으로 불연속적인 Figure 5를 연속적인 그래프로 바꿀 수 있을 것이다. 이를 정리하자면, 아세트산의 경우 극성 물질이므로 고정상과의 상호작용이 미미하여 빠르게 카트리지 내부의 고정상을 빠져나왔고 그 결과 살리실산에 비해 먼저, 짧은 시간 안에 용출되었다. 이로 인해 sharp한 첫번째 peak를 얻을 수 있었다. 이와 같은 이치로 살리실산은 상대적으로 비극성 물질이므로 고정상과의 상호작용에 의해 아세트산에 비해 느린 속도로 카트리지를 빠져나왔으며, 이러한 느린 속도 때문에 아세트산에 비해 나중에 천천히 용출되었음을 알 수 있다. 이것이 살리실산이 두번째 broad한 peak를 만드는 원인이다.

한편, broad한 두번째 Peak를 sharp하게 만들기 위해서는 현재의 통제변인 중 일부를 수정하는 방법으로 이 Peak를 sharp하게 만들 수 있다. 먼저, 5번째 이후의 시험관에 대해서는 1mL의 EtOH를 카트리지로 통과시키는 것이 아니라 2mL, 혹은 그 이상의 더 많은 이동상을 통과시키는 방법이 있다. 이러한 방법을 거치게 되면 뒤쪽 peak에 대해서만 Figure 5에서 두 개, 혹은 세 개 이상의 시험관으로부터 얻어지는 산의 몰수를 합치는 효과, 즉 x축으로 압축하는 효과가 되므로 그래프의 peak가 이전보다 sharp해질 것이다. 다른 방법으로는, 무극성 고정상을 가지는 지금의 C-18 카트리지가 아닌, 극성 고정상을 가지는 카트리지를 사용한다면, 두 Peak에 해당하는 물질의 위치가 바뀌겠지만, 적어도 살리실산에 대한 Peak는 이전보다 sharp해질 것이다. 살리실산에 대해서는 원래의 실험보다 고정상에 의한 인력이 줄어들었기 때문에 더 빠르게 고정상을 통과하여 용출될 것이고 이는 peak가 sharp해짐을 의미한다.

3. Reference

1 Manish T. “How does column chromatography work?”. BrightMags. Archived from the original on 21. April 2017. https://web.archive.org/web/20170421085642/http://brightmags.com/how-does-chromatography-work/

2 Sager Aryal. “Column Chromatography”. Microbe notes. https://microbenotes.com/column-chromatography/

[3] “IUPAC Gold Book: eluent”, International Union of Pure and Applied Chemistry, Sep. 28, 2008.

[4] “Salicylic acid”, Archived from the original on 24. May 2014

http://chemister.ru/Database/properties-en.php?dbid=1&id=1777

4. Assignment

4.1 당량점과 종말점에 대해 설명하시오.

1. 당량점 : 당량점이란 산과 염기가 만나 중화반응을 일으킬 때 산과 염기의 몰 수가 동일한 지점을 말한다. 이는 실험에서 적정제와 적정하려는 물질의 몰수를 이론적으로 계산하여 구한 점을 의미하는 것으로 시료에 이론상 특정 양의 적정제를 첨가하였을 때 산과 염기의 몰수가 동일해져 당량점에 도달할 것이라고 예측하는 것이다.
2. 종말점 : 종말점은 적정 실험에서 실제로 적정이 끝나는 지점을 의미하며, 이론적으로 계산된 당량점에 도달하였다고 실험자가 판단하고 실험을 멈추는 시점을 종말점이라고 한다. 이러한 종말점은 항상 당량점과 일치하는 것은 아니며, 종말점이 당량점과 일치할 수 있도록 적절한 변색범위의 지시약을 사용하여야지만 종말점을 통해 당량점을 적절히 실험적으로 구할 수 있다.

4.2 이번 실험에서 사용하는 지시약은 페놀프탈레인(Phenolphthalein) 용액을 지시약으로 사용한다. 그런데 페놀프탈레인은 pH 8.3 이하에선느 무색, pH 10 이상에서는 붉은 색으로, pH 7은 변색 범위에 포함되지 않아 pH 7에 도달하였는지를 정확하게 확인할 수 없다. 그럼에도 불구하고 페놀프탈레인 용액의 색깔이 변하는 지점을 당량점으로 정하는데 그 이유는 무엇인가?

Figure 6. 약산과 강염기의 Titration Curve

Figure 6을 보면 약산과 강염기의 중화 적정 곡선에서 pH가 7이 되는 지점에서의 기울기가 거의 수직에 가깝다는 것을 알 수 있다. 즉 매우 적은 NaOH를 첨가해도 당량점 근처에서는 매우 큰 pH의 변화가 일어난다는 사실이다. 페놀프탈레인의 변색 범위는 위의 핑크색으로 표시된 직사각형인데, pH가 7을 넘어가는 순간과 페놀프탈레인의 변색범위인 pH 8.3 이상을 넘기 위해 거의 동일한 양의 NaOH가 필요하기 때문에 페놀프탈레인이 변색하는 순간을 당량점으로 계산하여도 사실상 pH 7을 넘는 순간, 즉 실제 당량점까지 도달하기 위해 필요한 NaOH와 차이가 존재하지 않는다. 이러한 이유에서 변색범위에 pH 7이 포함되지 않은 페놀프탈레인을 당량점을 결정하는데 사용하는 지시약으로 쓸 수 있는 것이다.

4.3 아세트산(Acetic acid)와 살리실산(Salicylic acid)의 구조식(Structural formular)을 그리고 두 물질의 극성(polarity)을 비교하시오.

Figure 7. 아세트산과 살리실산의 구조식

아세트산과 살리실산의 구조식은 Figure 7과 같으며, 살리실산 또한 하이드록시기를 가지고 있지만, 벤젠고리 또한 가지고 있으므로 이 공명 구조에 의해 안정되어 극성이 더 적다. 그래서 아세트산이 살리실산에 비해 더 극성임을 알 수 있다.

4.4 0.1M NaOH(Mw=40) 수용액을 제조하기 위해 고체 상태의 NaOH 2g을 정량하여 500mL의 증류수에 녹여서 제조하였다. 이 수용액으로 표준화 실험을 진행하였으나, 0.10M보다 현저하게 낮게 나왔다. 제조 및 표준화 전 과정에서 실수가 발생하지 않았고, 계량 오차(질량, 부피)가 발생하지 않았다. 증발 및 환경적(온도, 기압) 요인의 변화 역시 없었을 때 의도한 농도보다 낮게 나온 가장 큰 이유는 무엇인가?

NaOH의 조해성 때문이다. NaOH는 공기와 접촉하였을 때 공기 중의 수분과 결합하여 빠르게 녹는 특성을 가지고 있다. 즉 NaOH를 정확히 약포지에 2g 올려놓아 증류수에 녹여 제조한다 하더라도, NaOH를 계량하고 증류수에 투입하는 수십 초의 시간동안 일정 부분의 NaOH가 공기중 수분과 반응하여 녹게 된다. 이렇게 녹은 NaOH는 약포지의 표면에 끈적하게 달라붙어 아무리 완벽히 증류수에 모든 NaOH를 넣으려고 하여도 이를 불가능하게 만든다. 즉 약포지에 남아있는 NaOH가 유의미한 양이기 때문에 용액의 표준화 실험에서 유의미한 음의 오차를 이끌어낼 수 있다. 이러한 이유에서 NaOH는 KHP와 같이 적정하는데 사용되는 일차 표준물질이 될 수 없다.

4.5 4mM KHP 용액 1mL를 적정하는데 약 6.4mL의 NaOH 용액이 사용되었다. 이 NaOH 용액으로 농도를 모르는 산의 혼합 용액 3mL를 적정하였더니 약 3.6mL의 NaOH 용액이 사용되었다. 표준화된 NaOH 농도와 모르는 산의 혼합 용액의 농도는?

적정에 사용되는 식인 nMV=n’M’V’ (반응하는 산의 총 몰수와 염기의 총 몰수는 같다)를 적용하여 NaOH 용액의 몰농도를 결정하고, 이를 통해 산 혼합용액의 농도를 결정할 수 있다.

\[\begin{aligned} \left(4⋅10^{-3}M\right)\times (1⋅10^{-3}L)=M^{'}\times (6.4⋅10^{-3}L) \\ M^{'}=6.25\times 10^{-4} M=0.625mM \end{aligned}\tag{9}\]

NaOH의 몰농도는 0.625mM임을 알았으니, 이를 통해 미지 산 혼합용액의 농도를 결정하자.

\[\begin{aligned} \left(6.25⋅10^{-4}M\right)\times (3.6⋅10^{-3}L)=M^{''}\times (3⋅10^{-3}L) \\ M^{''}=7.5\times 10^{-4} M=0.75mM \end{aligned}\tag{10}\]

식 (9)와 (10)을 통해 표준화된 NaOH의 농도는 0.625mM, 모르는 산의 혼합용액의 농도는 0.75mM임을 구할 수 있다.