하양훈 | 대전과학고등학교, switchkiller84@gmail.com
서 론
미지의 산 또는 염기 용액의 농도를 알아내는 방법으로 가장 많이 사용되는 것은 산-염기 중화 적정일 것이다. 적정(titration)이라는 분석 기술은 분석물과 지시약을 플라스크에 담고 여기에 뷰렛으로 적정 시약을 첨가하는 것을 뜻한다. 이때 사용하는 지시약은 BTB를 비롯하여 페놀프탈레인, 메틸 오렌지 등과 같이 당량점에서 색 변화가 뚜렷한 것을 선택한다. 하지만 실제 산-염기 중화 적정에서 색 변화를 뚜렷하게 관찰하기 쉽지 않은데, 분광광도계를 활용하면 더 쉽게 색 변화를 통해 pH를 측정할 수 있을 것으로 생각하였다. 본 기고에서는 대전과학고등학교 40기 박수민 학생과 40기 조아현 학생의 창의재단 R&E연구를 바탕으로 분광광도계를 활용한 미량의 BTB로 pH 측정에 관해 설명하고자 한다.
본 론
1. BTB(Bromothymol blue, C27H28Br2O5S)의 물리적 화학적 성질
BTB는 오른쪽과 같은 분자 구조로 물보다는 에탄올이나 다이에틸 에터에 잘 녹는 화합물이다. 또한 BTB는 pH에 따라 황(S)이 포함된 오각 고리의 유무 및 그 비율로 pH가 증가
함에 따라 노랑(pH 6.0 이하)→초록(pH 6.0~7.6)→파랑 (pH 7.6 이상) 순서로 색이 바뀌게 된다. 이 때문에 산-염기 중화 적정 실험에서 중성 용액에서 볼 수 있는 초록색은 ‘초록색’이 아닌 ‘노랑과 파랑의 혼합된 초록색’으로 보인다.
2. BTB 용액의 분광학적 성질
(1) 실험 1: pH별 BTB 용액의 흡광도
HCl과 NaOH 용액을 이용하여 pH=2.0부터 pH=12.0 까지 1.0 단위로 다양한 pH를 갖는 용액을 제작한다. 흡광도를 측정하기 위해 큐벳에 각 용액 3mL와 BTB 지시약 60μL를 넣고 BTB 색깔이 충분히 발현될 수 있도록 기다린다. UV/Vis spectrophotometer로 300nm~800nm 범위에서 1nm 단위로 각 용액의 흡광도를 측정하였다[그림 1]. 이 중에서 pH가 2, 3, 4, 5, 6일 때 흡광도는 큰 차이가 없었고[그림 2], pH가 10, 11, 12일 때도 흡광도가 큰 차이를 보이지 않았다[그림 3].
pH가 6, 7, 8, 9, 10일 때[그림 4], 흡광도가 의미있는 변화를 보이고, 이를 바탕으로 흡광도를 분석하면 417nm~ 432nm와 617nm에서 최대 흡광 파장 범위임을 알 수 있었다. 또한 동일한 BTB 농도(BTB 지시약 60μL/ 3mL)에서 pH와 관계없이 일정한 흡광도를 갖는 등흡광점(isosbestic point)의 파장이 501nm임을 확인할 수 있었다.
3. 501nm의 흡광도를 기준으로 한 상대적 흡광도
pH별 BTB 용액의 흡광도[그림 1]의 데이터 중 425nm, 501nm, 617nm의 자료만을 추출하면 다음과 같다[표 1].
등흡광점인 501nm에서 흡광도 변화가 거의 없음을 알 수 있다.
[표 1]의 자료에서 501nm의 흡광도를 기준으로 한 상대적 흡광도로 자료 변환하면 [표 2]와 같고, 1차 함수적인 연관성을 찾으면 [그림 5]와 같다.
4. 적용
(1) pH=7.5
① pH=7.5 용액에 BTB를 적당량 넣은 후 425nm, 501nm, 617nm에서 흡광도를 측정하였더니 각각 0.3621, 0.2022, 0.6130 이었다.
② 이 자료를 501nm의 흡광도를 기준으로 한 상대적 흡광도로 자료 변환하면 425nm에서 1.7908, 617nm에서 3.0317 이 된다.
③ 425nm에서 [그림 5]의 식(상대 흡광도 = -0.4687 × pH + 5.3806)에 대입하면 pH=7.7을 얻을 수 있다.
④ 617nm에서 [그림 5]의 식(상대 흡광도 = 1.5243 × pH - 8.6077)에 대입하면 pH=7.6를 얻을 수 있다.
(2) HCl(aq)과 NaOH(aq)로 제조한 미지의 용액
① HCl(aq)과 NaOH(aq)로 pH 범위가 6~10인 미지의 용액을 제조한 후 BTB 시약을 적당량 넣는다.
② 이 용액을 425nm, 501nm, 617nm에서 흡광도를 측정하였더니 각각 0.153, 0.193, 1.179 이었다.
③ 이 자료를 501nm의 흡광도를 기준으로 한 상대적 흡광도로 자료 변환하면 425nm에서 0.793, 617nm에서 6.109 이 된다.
⑤ 617nm에서 [그림 5]의 식(상대 흡광도 = 1.5243 × pH - 8.6077)에 대입하면 pH=9.7를 얻을 수 있다.
⑥ 미지 용액의 pH를 pH meter로 측정한 결과 9.1로 측정되었다.
(3) HCl(aq)과 Na2CO3(aq)로 제조한 미지의 용액 2
① HCl(aq)과 Na2CO3(aq)로 pH 범위가 6~10인 미지의 용액을 제조한 후 BTB 시약을 적당량 넣는다.
② 이 용액을 425nm, 501nm, 617nm에서 흡광도를 측정하였더니 각각 0.971, 0.508, 1.325 이었다.
③ 이 자료를 501nm의 흡광도를 기준으로 한 상대적 흡광도로 자료 변환하면 425nm에서 1.911, 617nm에 서 2.608 이 된다.
④ 425nm에서 [그림 5]의 식(상대 흡광도 = -0.4687× pH + 5.3806)에 대입하면 pH=7.4를 얻을 수 있다.
⑤ 617nm에서 [그림 5]의 식(상대 흡광도 = 1.5243 × pH - 8.6077)에 대입하면 pH=7.4를 얻을 수 있다.
⑥ 미지 용액의 pH를 pH meter로 측정한 결과 7.1로 측정되었다.
결 론
고등학교 화학Ⅰ과 화학Ⅱ의 산·염기 개념을 학습하면서 pH 계산과 산·염기 중화적정을 실험하는 경우가 많을 것이다. 하지만 많은 학교에서 pH meter 기기를 운용하고 있지 못하기 때문에 pH를 이론적으로 계산하거나, 지시약의 색깔 변화를 통해 산성/중성/염기성만을 파악하는 한계가 있다. BTB 지시약을 이용하면 산성, 중성, 염기성에 따라 파장에 따라 흡광도가 달라짐에 따라 각각 다른 색깔을 보인다. 이러한 특징을 이용하여 일정한 BTB 농도에서 pH에 따른 흡광도를 조사한 자료를 바탕으로 미지 용액의 흡광도를 측정하면 pH를 유추할 수 있을 것이다.
이처럼 용액의 흡광도를 이용하여 pH를 유추하는 방법은 몇 가지 한계점이 존재한다. 첫 번째로 일정한 BTB 농도에서 pH에 따른 흡광도를 조사한 자료를 만들 때 매우 정확해야 한다. 아주 이상적인 데이터는 pH에 따른 흡광도가 선형적으로 나와야 하지만, 용액을 제조하는데 있어 정확한 pH를 맞추기 쉽지 않고, 공기 중 이산화 탄소의 유입으로 인해 시시각각 pH가 조금씩 변화하기 때문이다. 본 실험에서도 상관계수(R2) 값이 0.9628과 0.9612로 매우 정확하다 할 수 없었다. 두 번째로는 분석하고자 하는 미지의 시료는 가시광선에 대해 투명한 것만 흡광도로 pH를 유추 할 수 있다는 것이다. 미지 시료 자체가 가시광선을 흡수한 다면 BTB 시료만이 특정 파장의 빛을 흡수하는 정도가 달라질 것이다. 물론 분광광도계로 흡광도를 측정하기 전 baseline을 제거하여 BTB 시료만의 흡광도를 측정할 수 있지만, 실험적/이론적으로 복잡한 단계를 거쳐야 하는 단점이 존재한다. 마지막 한계점은 산·염기 지시약으로 BTB가아닌 다른 지시약을 사용할 때 등흡광점이 명확한 지시약만이 사용 가능하다는 것이다. 수많은 지시약 중에 산성, 중성, 염기성에서 색깔이 명확하게 다른 지시약은 몇 종류 없어서 등흡광점이 불명확하여 적절한 지시약의 범위가 좁다는 한계점이 있다.
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하 양 훈 Ha Yanghune
• 전남대학교 화학교육학과, 학사(2006.3-2012.2)
• 한국교원대학교 화학교육전공, 석사(2015.3-2020.2, 지도교수 : 송기형)
• 대전과학고등학교 화학교사(2022.3-현재)