중화 반응의 확인

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

위 표는 산성, 중성, 염기성에 따른 여러가지 지시약의 색깔 변화를 나타낸 것입니다.

메틸오렌지(Methyl orange), 페놀프탈레인(Phenolphthalein), 리트머스(Litmus) 지시약이 보이네요.

산(acid), 중성(neutral solution), 염기(alkais)에 따른 색깔 변화 모두 암기하셨지요? ^^

무지개 색깔 변화처럼 산과 염기의 세기에 따라서 지시약의 색깔이 점차적으로 변하는 것을 볼 수 있는데요, 중화 반응이 일어나는 정도도 지시약의 색 변화를 통해 알 수 있답니다. 이번 시간에는 중화 반응이 일어나 중성이 되는 지점을 확인하는 방법에 대해서 알아보겠습니다.

산과 염기, 지시약 색의 변화, 중화 반응에 대해 미리 공부하시고 오시면 더욱 좋겠네요.

● pH, 지시약

● 산과 염기 - 산

● 산과 염기 - 염기

● 중화 반응

*** 중화 반응 - 지시약 색깔 변화

■ 중화점

산과 염기가 모두 반응하여 중성이 되는 지점을 말합니다.

pH는 7에 가까워질 것이고, BTB용액으로 검사하면 색깔이 초록색으로 나타나겠지요.

중화점을 확인하는 방법은 지시약의 색깔 변화를 관찰하거나 용액의 온도를 측정하는 것입니다.

먼저 지시약 색깔 변화를 통해 중화점을 확인해볼게요.

■ 이온 모형으로 이해하는 중화 반응

중화 반응의 정도를 쉽게 이해하기 위해서 이온 모형을 이용하겠습니다.

수산화 나트륨 수용액이 들어있는 비커에 묽은 염산을 조금씩 넣어보는 중화 반응 실험을 이온 모형으로 알아볼텐데요, 쉽게 이해하기 위해서 이온의 수를 한 개, 두 개 씩 그려서 생각해볼게요.

1) 반응 전 모형

수산화 나트륨 수용액 안에는 나트륨 이온 2개, 수산화 이온 2개가 들어있다고 생각해볼게요.

여기에 묽은 염산의 수소 이온과 염화 이온을 하나씩 넣어서 반응시켜 보겠습니다.

▶ 큰 비커에 들어있는 이온의 수

- 나트륨 이온: 2개

- 수산화 이온: 2개

- 염화 이온: 0개

- 수소 이온: 0개

▶ 용액의 액성

- 수산화 이온이 2개나 있으므로 '염기성'

▶ BTB용액의 색깔

- 염기성이므로 '파란색'

2) 묽은 염산의 수소 이온, 염화 이온 한 개씩을 넣었을 때

수산화 나트륨 수용액에 묽은 염산의 수소 이온과 염화 이온을 1개씩 넣어볼게요.

그러면 수산화 이온 1개와 수소 이온 1개가 반응하여 물을 만들어 내겠지요? 모형을 한번 볼께요!

▶ 큰 비커에 들어있는 이온의 수

- 나트륨 이온: 2개 (반응하지 않으므로 변화 없음)

- 수산화 이온: 1개 (수소 이온 1개와 반응하여 감소)

- 염화 이온: 1개 (반응하지 않으므로 1개 증가)

- 수소 이온: 0개 (비커에 들어오자 마자 수산화 이온과 반응하여 물이 됨)

▶ 용액의 액성

- 수산화 이온이 아직 1개 남아있으므로 '염기성'

▶ BTB용액의 색깔

- 염기성이므로 '파란색'

3) 수소 이온과 염화 이온을 하나 더 넣었을 때

2번의 혼합 용액에 수소 이온과 염화 이온을 하나 더 넣어보겠습니다.

하나 남아있던 수산화 이온과 새로들어온 수소 이온이 반응하여 물 분자를 하나 더 만들겠네요.

▶ 큰 비커에 들어있는 이온의 수

- 나트륨 이온: 2개 (반응하지 않으므로 변화 없음)

- 수산화 이온: 0개 (추가된 수소 이온 1개와 반응하여 감소)

- 염화 이온: 2개 (반응하지 않으므로 1개 더 증가)

- 수소 이온: 0개 (비커에 들어오자 마자 수산화 이온과 또 반응하여 물이 됨)

▶ 용액의 액성

- 수산화 이온, 수소 이온이 없어졌으므로 '중성'

- 완전히 중화된 '중화점' 상태

▶ BTB용액의 색깔

- 중성이므로 '초록색'

4) 여기에 또 수소 이온과 염화 이온을 한 개씩 더 넣을때

3번의 완전히 중화된 용액에 묽은 염산을 조금 더 부어보겠습니다. 그러면 어떻게 될까요?

반응할 수산화 이온이 없기 때문에 수소 이온과 염화 이온이 그냥 1개씩 더 늘어나게 됩니다.

▶ 큰 비커에 들어있는 이온의 수

- 나트륨 이온: 2개 (반응하지 않으므로 변화 없음)

- 수산화 이온: 0개

- 염화 이온: 3개 (반응하지 않으므로 1개 더 증가)

- 수소 이온: 1개 (반응할 수산화 이온이 없으므로 그냥 1개 증가)

▶ 용액의 액성

- 수소 이온이 1개 있으므로 '산성'

▶ BTB용액의 색깔

- 산성이므로 '노란색'

■ 이온 수 변화 그래프

위에서 이온 모형으로 알아본 중화 반응에서 각각 이온 수의 변화를 그래프로 나타내 봅시다.

1) 나트륨 이온

나트륨 이온은 처음부터 반응하지 않기 때문에 처음부터 끝까지 2개를 유지합니다.

2) 수산화 이온

수산화 이온은 처음에 2개였지만 수소 이온이 1개씩 들어올 때마다 1개씩 반응하여 물이 되기 때문에 감소해서 0개가 됩니다.

3) 염화 이온

염화 이온은 반응하지 않는 구경꾼 이온이기 때문에 넣어준 만큼 개수가 점점 증가합니다.

4) 수소 이온

수소 이온은 용액에 들어가자 마자 수산화 이온과 반응하여 물을 생성합니다. 하지만 반응할 수산화 이온이 없어지면 그대로 개수가 늘어나게 됩니다. 

▶ 위 그래프를 하나의 그래프로 뭉치면!

*** 중화 반응 - 온도 변화

■ 중화열

중화 반응이 일어날 때 발생하는 열을 중화열이라고 합니다.

수소 이온과 수산화 이온의 수가 많을수록 열이 많이 발생하고, 산과 염기가 완전히 중화가 되었을 때 중화열의 온도는 최대가 됩니다.

예를 들어 농도가 같은 묽은 염산과 수산화 나트륨 수용액의 부피 비율을 다르게 하여 혼합하면 아래와 같은 그래프 결과가 나옵니다.

▶ 묽은 염산과 수산화 나트륨 수용액은 1:1의 부피비로 반응

▶ 온도가 가장 높은 C 지점 - 중화점

▶ 용액의 액성

 A: HCl 18mL + NaOH 2mL

    = HCl 16mL가 남음 → 산성

 B: HCl 14mL + NaOH 6mL 

    = HCl 8mL가 남음 → 산성

 C: HCl 10mL + NaOH 10mL

    = 모두 반응하여 물이 됨 → 중성 (중화점)

 D: HCl 6mL + NaOH 14mL

    = NaOH 8mL가 남음 → 염기성

 E: HCl 2mL + NaOH 18mL

    = NaOH 16mL가 남음 → 염기성

여러분, 이제 중화 반응이 일어나는 정도를 지시약과 온도 변화를 통해 확인하실 수 있겠지요?

이온 모형, 이온 수 변화 그래프, 중화열 그래프는 여러번 반복해서 보고 눈에 익혀두어야 합니다. 이해를 하지 못하면 모형과 그래프가 나오는 문제를 전혀 해결할 수 없으니까요. 차근차근 비교해보고 직접 그려보면 금방 이해하실 수 있을겁니다.

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