나뭇잎 교과서

산화·환원 적정

소독용 과산화 수소수는 정말 3%일까요? 진한 보라색 과망가니즈산 칼륨 용액을 한 방울씩 떨어뜨리면 색이 사라지다가, 어느 순간 연분홍이 남습니다. 지시약 없이도 반응이 끝난 때를 알 수 있는 적정입니다.

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산화·환원 적정

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약국에서 산 과산화 수소수 병에는 3%라고 적혀 있다. 이 용액 10.00 mL를 250 mL로 묽힌 뒤 25.00 mL를 덜어 묽은 황산을 넣고, 0.0200 M 과망가니즈산 칼륨 용액을 뷰렛으로 떨어뜨렸다. 진한 보라색 방울이 떨어지자마자 색이 사라지며 거품이 났고, 17.60 mL에서 연분홍색이 처음으로 사라지지 않고 남았다. 지시약을 넣지 않았는데 어떻게 끝을 알았을까? 그리고 병의 3%는 맞을까?

환원MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O보라색 → 거의 무색 산화H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻거품 (산소) 전체2MnO₄⁻ + 5H₂O₂ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5O₂ + 8H₂O 과망가니즈산 이온 2개가 받는 전자 10개 = 과산화 수소 5개가 내놓는 전자 10개
그림 1. 과망가니즈산 이온 1개는 전자 5개를, 과산화 수소 1개는 전자 2개를 주고받아 2대 5로 반응한다.
먼저 알아야 할 것산화와 환원, 산화수, 중화 적정(중화 적정).

3.4.1전자를 세는 적정

산화·환원 적정은 중화 적정과 같은 생각을 전자의 이동에 쓴다. 과망가니즈산 이온은 산성 용액에서 전자 5개를 받아 망가니즈(II) 이온으로 환원되고, 과산화 수소는 전자 2개를 내놓고 산소로 산화된다. 주고받는 전자의 수가 같아야 하므로, 과망가니즈산 이온 2개와 과산화 수소 5개가 반응한다. 넣은 과망가니즈산 이온의 몰수를 알면 이 비로 과산화 수소의 몰수를 구할 수 있다.

정리 3.4.1 당량점의 몰수 관계

산화제가 받는 전자의 몰수와 환원제가 내놓는 전자의 몰수가 같은 당량점에서 \[5 \times n(\mathrm{MnO_4^-}) = 2 \times n(\mathrm{H_2O_2})\]이다. 따라서 \(n(\mathrm{H_2O_2}) = \tfrac{5}{2}\,n(\mathrm{MnO_4^-})\)이다.

과망가니즈산 이온은 진한 보라색이지만 환원되어 생긴 망가니즈(II) 이온은 거의 무색이다. 과산화 수소가 남아 있는 동안에는 떨어뜨린 보라색이 곧 사라진다. 과산화 수소가 모두 반응하면 다음 한 방울의 보라색이 그대로 남아 용액이 연분홍색이 된다. 적정하는 용액 자신이 지시약 구실을 하는 것이다. 황산을 넣는 까닭은 반응에 수소 이온이 필요하기 때문이고, 염산은 염화 이온이 과망가니즈산 이온에 산화되므로 쓰지 않는다.1

3.4.2묽혀서 재기

3% 과산화 수소수를 그대로 적정하면 과망가니즈산 칼륨 용액이 수백 mL나 필요하다. 그래서 피펫과 부피 플라스크로 정확히 묽힌 뒤 일부를 덜어 적정하고, 계산할 때 묽힌 배수를 다시 곱한다. 묽히는 단계마다 정밀한 기구를 써야 그 배수가 정확하다. 과망가니즈산 칼륨 용액은 빛과 유기물에 조금씩 분해되므로, 쓰기 전에 옥살산 나트륨 같은 표준 물질로 농도를 확인한다.

단계값 넣은 MnO₄⁻0.0200 M × 0.01760 L = 3.52 × 10⁻⁴ mol 25.00 mL 속 H₂O₂× 5/2 = 8.80 × 10⁻⁴ mol 처음 10.00 mL 속 H₂O₂× 250/25 = 8.80 × 10⁻³ mol
그림 2. 넣은 산화제의 몰수에 반응 비를 곱하고, 묽힌 배수를 곱해 처음 용액의 몰수를 얻는다.

3.4.3예제 풀이

예제 3.4.2

그림 2의 결과로 처음 과산화 수소수의 몰 농도와 질량 백분율(g/100 mL)을 구하여 병의 3%와 비교하여라. 과산화 수소의 몰 질량은 34.01 g/mol이다. 병을 오래 열어 두어 과산화 수소의 일부가 물과 산소로 분해되었다면 적정 부피는 어떻게 되는가?

처음 10.00 mL에 \(8.80 \times 10^{-3}\) mol이 있으므로 몰 농도는 \(8.80 \times 10^{-3}/0.01000 = 0.880\) M이다. 1 L에 \(0.880 \times 34.01 \approx 29.9\) g이므로 100 mL에는 2.99 g, 곧 약 3.0%이다. 병의 표시와 잘 맞는다.

과산화 수소는 \(\mathrm{2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2}\)로 천천히 분해된다. 분해된 만큼 산화될 과산화 수소가 줄어 적정 부피가 작아지고, 계산한 농도가 3%보다 낮게 나온다. 그래서 오래된 소독약은 소독 효과가 약하다. 즉 산화·환원 적정은 주고받는 전자의 수로 반응 비를 정하고, 산화제의 색 변화로 끝점을 잡아 물질의 양을 정확히 잰다.

아래 탐구 카드에서 과망가니즈산 칼륨으로 과산화 수소수를 적정하여 농도를 구하고, 표시된 값과 비교해 보자.

  1. 이 반응은 처음에는 느리다가 생성된 망가니즈(II) 이온이 반응을 빠르게 하는 촉매 구실을 하여 점점 빨라진다. 그래서 적정 초반에는 보라색이 사라지는 데 몇 초가 걸리지만, 조금 지나면 떨어뜨리자마자 사라진다.
마무리

산화·환원 적정은 산화제가 받는 전자와 환원제가 내놓는 전자의 몰수가 같은 당량점에서 반응물의 양을 구하며, 과망가니즈산 이온과 과산화 수소는 2대 5로 반응한다. 진한 보라색의 과망가니즈산 이온이 무색의 이온으로 환원되므로, 남는 첫 방울의 연분홍색이 지시약 없이 끝점을 알려 준다. 처음 질문의 과산화 수소수는 0.880 M, 약 3.0%로 병의 표시와 맞는다.

탐구 1

지시약 없이 적정이 끝난 순간을 어떻게 알까?

실험 · 과망가니즈산 칼륨 적정 · 전자 수의 비 · 산의 선택
시료
산 10 mL
일치한 적정 (H₂SO₄ 조건)
—
시료 농도 (일치한 값 평균)
—
참값
?

KMnO₄ 표준 용액 0.0200 M(옥살산 나트륨으로 표정함). 시료는 홀 피펫으로 취한다. 과산화 수소 10.00 mL, Fe²⁺·옥살산 20.00 mL. 화면은 실제 시간으로 흐르므로 방울을 넣고 색이 사라지는지 기다려 보자. 진한 보라색 용액이라 메니스커스 위쪽 끝을 읽는다.

  1. 탐구 문제약국에서 산 과산화 수소수의 농도가 표시대로 약 3%인지 확인하려고 한다. 산화제인 과망가니즈산 칼륨(KMnO₄) 용액으로 적정하면 지시약을 넣지 않아도 종말점을 알 수 있다고 한다. 어떻게 가능할까?
  2. 복원산성 용액에서 MnO₄⁻(보라)는 전자 5개를 받아 Mn²⁺(거의 무색)가 된다. MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O. H₂O₂와 옥살산은 1분자가 전자 2개를, Fe²⁺는 1개를 내놓는다. 주고받는 전자 수가 같아야 하므로 2MnO₄⁻ + 5H₂O₂ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5O₂ + 8H₂O, 몰 비는 MnO₄⁻ : H₂O₂ = 2 : 5, MnO₄⁻ : Fe²⁺ = 1 : 5이다.
  3. 설계시료에 묽은 황산을 넣어 산성으로 만들고 KMnO₄를 떨어뜨린다. 환원제가 남아 있는 동안은 보라색이 곧 사라지고, 환원제가 다 떨어지면 남은 MnO₄⁻ 때문에 연분홍이 30초 넘게 남는다. KMnO₄ 자신이 지시약 노릇을 한다. 옥살산은 상온에서 반응이 느려 60~70 °C로 데워서 적정한다.
  4. 분석n(MnO₄⁻) = 0.0200 M × V. 과산화 수소의 몰수는 이 값의 5/2배이고, 농도는 그것을 10.00 mL로 나눈다. 10배 묽힌 시료이므로 원액은 10배, 질량 백분율은 몰 농도 × 34.0 g/mol ÷ 10이다(밀도 1 g/mL로 근사). 처음 몇 방울은 색이 천천히 빠지다가 점점 빨리 빠지는 것은 생성된 Mn²⁺가 반응을 빠르게 하기 때문이다(자체 촉매).
  5. 측정H₂SO₄ 조건에서 일치하는 결과가 나올 때까지 적정해 원액의 농도와 %를 구해 보자. 그다음 산을 HCl로, 또 산을 넣지 않고 같은 적정을 해 보자. 옥살산은 데우지 않고 해 본 뒤 데워서 다시 해 보자. 부피가 어떻게 달라지는지 그래프에서 비교해 보자.
  6. 오차·안전HCl을 쓰면 Cl⁻도 MnO₄⁻에 산화되어(Cl₂ 발생) KMnO₄가 더 들고 분홍색이 자꾸 사라진다. 산이 부족하면 MnO₄⁻가 전자 3개만 받아 갈색 MnO₂ 앙금이 생겨 몰 비 자체가 달라지고 종말점도 보이지 않는다. 그래서 반응하지 않는 황산을 쓴다. KMnO₄는 피부와 옷을 갈색으로 물들이고 강한 산화제이며, 진한 황산을 묽힐 때는 반드시 물에 산을 조금씩 넣는다. 보안경과 장갑을 끼고, 뜨거운 플라스크는 집게로 잡는다.

확인조건이 달라지면

0.0200 M KMnO₄로 Fe²⁺ 시료 20.00 mL를 적정했더니 18.00 mL가 들었다. 같은 KMnO₄로 같은 몰수의 H₂O₂를 적정한다면 몇 mL가 들까?

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