pH 란 ?
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2019.05.14 09:42
pH 란?
pH 측정은 산성과 염기성을 측정하는 기술입니다. 수소이온(H+)의 총량에 의해 산성(고농도의 수소이온)과 염기성(저농도의 수소이온)으로 분류됩니다.
pH 측정범위는 0~14 이며, 0 이하의 강산이나 14 이상의 강염도 측정은 가능하지만(이론측정), 기존의 전극제조기술로는 측정이 불가능합니다.
pH 측정범위는 물의 해리반응1에 의해 파생됩니다.
pH = - log10[H+]
H2O -> H+ + OH- = 1 x 10-14 (mol/L)2 = Kw (Kw is the dissociation constant of water).
측정예시> PH 5.5 인 물의 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 양은?
1 해리 [解離, dissociation] :
분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온, 또는 보다 작은 분자들로 나누어지는 현상이다.
예를 들어, 염산 HCl 은 물에 녹아 H+와 Cl-의 두 이온으로 나누어 지는 것을 들 수 있고, 생물체 내에서 일어나는 헤모로빈의 산소운반도 해리 반응의 하나이다.
해리 반응은 가역적인 반응으로, 평형상태가 존재한다. HCl 이 물에 녹으면 거의 100% 이온화 되어 H+와 Cl-가 만들어지지만, 만들어진 H+와 Cl-가 언제나 그 상태로
존재하는 것은 아니다.
H+와 Cl-가 다시 결합하여 HCl 이 되기도 한다.
다만 이렇게 해리와 결합이 끊임없이 일어나는 과정 속에서 해리 반응쪽으로 평형이 치우쳐 H+와 Cl-의 비율이 HCl 에 비해 현저하게 높을 뿐이다.
산, 염기는 해리 반응이 얼마나 우세한가에 따라 그 세기가 달라진다.
해리 반응이 잘 일어나는 산, 염기는 H+나 OH-를 많이 만들기 때문에 강한 산, 염기로 작용한다
2 온도에 따른 물의 해리반응식 변화
pH 와 산도/염기도의 관계
pH 측정은 산성과 염기성을 측정하는 기술입니다. 여기서 산도3와 염기도4는 반드시 pH 값과 일치하지 않습니다.
비슷한 조건의 비슷한 용액의 경우에는 산도가 낮으면, pH 는 높게 나오고 산도가 높으면, pH 는 낮게 나오는 것이 원칙입니다.
페놀프탈렌을 지시약이나 BTB 지시약을 사용하여 산도를 구하는 경우, 여러 가지 염류도 산으로 작용을 하게 됩니다.
예를 들면 구연산, 젖산, 등이 석회 나 아민 등이 결합해서 염을 형성하고 있다는 가정의 경우, 이들의 PH 는 거의 중성으로 되어 있는데 이것을 가지고, 산도를 측정하면 염기가 어느 정도의 농도로
될때 까지 지시약이 반응을 하지 않고, 수산화 나트륨은 염을 분해하는데 소비되어 산도가 높은 것으로 나타나지만 실제의 [H+] 농도는 낮기 때문에 PH 는 낮게 나오고, 산도는 높게 나올 수가 있습니다.
즉 PH 4.3 과 PH 8.3 사이에 염을 분해시키고, 용액속의 유리된 염기가 지시약의 색을 변경 시키지 못하는 경우도 있습니다.
일반적으로 순수한 물에 가까울수록 적은 양의 산으로 PH 의 변화폭이 커지고 용해된 물질이 많을 수록 적은 양의 산이나 염기로 PH 의 변화폭이 커지는데 이것은 일종의 Buffer 작용에 의한 것으로 설명될 수 있습니다.
3 산도 [酸度, acidity] :
히드록시기는 산 또는 음이온으로 치환할 수 있는 것이며, 산과 중화반응을 할 때의 산의 필요량을 아는 척도가 됩니다.
예를 들면, 수산화나트륨[NaOH],·수산화칼륨[KOH] 등은 산도 1, 수산화칼슘 [Ca(OH)2],·수산화바륨 Ba(OH)2 등은 산도 2, 수산화란탄 La(OH)3 은 산도 3 이며,
각각 1 가염기· 2 가염기· 3 가염기라 하며 산도가 2 이상인 것을 모두 다 가염기라고 합니다. 산도에 대하여 산 1mol 속에 함유되어 있는 수소원자 중에서 금속원자 또는
양이온과 치환할 수 있는 수소원자의 수를 염기도(鹽基度)라고 합니다. 한편, 산의 세기를 말하는 산성도(酸性度)도 산도라고 할 때가 있으므로 흔히 혼동되고 있습니다.
4 알칼리도[alkalinity] :
염기성 용액의 중화적정 시에 필요한 산성용액의 양 ; 시료수(試料水)에 지시약으로서 페놀프탈레인이나 메틸오렌지를 가하고, 이것을 이미 농도를 알고 있는 염산이나 황산으로 중화적정하여 측정합니다.
페놀프탈레인을 사용한 알칼리도는 페놀프탈레인알칼리도(P-Alkalinity)라고 하며, 천연수에 함유되어 있는 수산이온의 총량과 탄산이온의 반량(半量)에 상당합니다.
메틸오렌지를 사용한 알칼리도를 메틸오렌지알칼리도(M-Alkalinity)라고 하며, 탄산수소이온까지 포함한 총알칼리도를 나타냅니다.
엄하게는 약한 알칼리성을 보이는 물질의 총량을 나타냅니다. 알칼리도는 흔히 얼마만큼의 탄산칼슘에 상당하는가로 표현됩니다.
예를 들면, 해수 100 ㎤를 0.01N 의 염산으로 적정하면 25 ㎤를 필요로 합니다. 그때, 이 해수의 알칼리도는 120ppm입니다.
5 산도(Acidity)와 알칼리도(Alkalinity)의 측정:
산도[Acidity]와 알칼리도[Alkalinity]의 측정은 적정효과(Titration effect)를 이용한 적정계(Titrator)가 주로 사용되고 있습니다.
산도 [Acidity]는 Methyl Orange and Phenolphthalein (Total) Methods 방법(순차반응)을 사용하여 측정하고, 알칼리도 [Alkalinity] 는 Phenolphthalein and Total Method 방법
(순차반응)을 사용하여 측정합니다.
pH of Common Materials(25℃)
pH 측정의 중용성
pH는 제품의 품질을 결정합니다. pH 는 제품의 효율성을 증대합니다.
설탕 정제 유해가스 수집작업
펄프 및 종이 제조공정 기판제작 애칭작업
Latex 응집 반응조 공정작업
사진인화 제품 안전확보
크롬산염(Chromate)과 시안화물(cyanide)
제거시스템
상하수도 수질 유지관리작업
식중독균 번식을 억제작업(pH를 낮춤)
pH측정법 ?
비색법 (Colorimetric Methods)
시약법
페이퍼 / 스트립
전극법(pH electrodes)
전극의 신호(mV)
전극법 (PH electrodes)
pH는 백금으로 이루어진 표준 수소 전극과 기준 전극을 사용하여 수소 이온의 활동도를 결정하지만 수소 전극을 사용하는데 어려움이 있고 쉽게 깨지기 때문에 보통 silver / silver-chloride(Ag/AgCl) 혹은 calomel (Hg/Hg2Cl2) 기준전극을 보통 사용한다.
유리전극에서 발생하는 기전력은 pH에 비례하여 변화한다. 이러한 비례관계는 여러 완충용액의 pH에 따라 측정된 전위를 그래프로 그려 얻어진다.
aH+와 같이 하나의 이온의 활동도를 측정할 수 없기 때문에 pH는 potentiometric scale로 정의된다.
따라서 pH는 특별한 조성으로 이루어진 유리막 사이의 전위차로 측정된다.
Membrane을 통해 발생하는 전위는 용액의 H+ 활동도에 따라 변화하고 안정한 기준전극을 기본으로 측정된다.
pH 측정의 목적
(1) 규정된 품질의 제품을 생산하고, 제품의 생산단가를 낮추기 위해서
각종 화학 반응공정, 기판제작 에칭공정, 설탕 정제공정, 펄프 및 종이 제조공정, 사진인화 공정 둥
(2) 각종 반응공정상의 안전 확보
(3) 법적 규제를 지키며, 환경 파괴를 방지하기 위해서
상하수도 수질 유지관리 작업, 각종 유해 중금속 및 유해물질 제거시스템
(4) 연구 개발을 통한 새로운 기술을 습득하기 위해서
pH 전극의 기울기
전극의 기울기는 검출되는 이온에 대한 전극의 감응을 의미한다.
용액의 온도 변화는 Nernst equation에 따라서 pH 유리전극의 출력 전압이 변화한다.
온도의 변화에 따른 전극의 감응은 선형 함수이며, 대부분의 pH meter는 이러한 효과를 보상하도록 설계되었다.
이상적인 전극은 25℃에서 59.16 mV/pH unit의 기울기를 갖는다.
Slope
Eobs-Er/pH = 2.303RT/nF
예를 들어, 0℃일 경우, slope = 54.17 mV / pH unit
25℃일 경우, slope = 59.16 mV / pH unit
60℃일 경우, slope = 65.99 mV / pH unit
100℃일 경우, slope = 74.02 mV / pH unit
온도에 따른 전극의 기울기 변화
pH 값에 따른 전위 값
기울기는 Automatic Temperature Compensation(ATC) probe로 수동 혹은 자동 보상되며 PnL INS의 meter는 입력된 온도를 바탕으로 이론적인 기울기를 계산하여
percentage로 기울기를 표시한다. 예를 들어, 25℃에서 96% 기울기는 56.20mV/pH의 기울기와 같다.
완충용액과 시료의 pH 값은 화학평형이 온도에 의존하므로 온도에 영향을 받는다.
이것은 용액에서 수소 이온의 활동도와 화합물의 이온화가 온도에 의존하기 때문이다.
