산화환원적정에서 KMnO4 용액을 이용하여 종말점을 결정하는 원리. 내...

산화-환원 반응은 산-염기 중화반응과 마찬가지로 우리 주변에서 많이 일어나고 있는 매우 중요한 반응이다. 예를 들어, 염화나트륨은 나트륨과 염소 기체 사이의 반응으로 만들어진다.

 

2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)

 

이 반응에서는 나트륨 원자에서 염소 원자로 전자가 이동하면서 Na+이온과 Cl-이온이 만들어진다. 이와 같이 한 개 이상의 전자가 이동하는 반응을 산화-환원 반응이라 한다. 산화-환원 반응에서 전자를 잃어버리는 분자는 “산화”되었다고 하고, 그 전자를 받아들이는 분자는 “환원”되었다고 한다. 전자를 내주어서 다른 분자를 환원시키는 분자를 환원제(또는 전자주개)라고 하고, 전자를 받음으로써 다른 분자를 산화시키는 분자를 산화제(또는 전자받개)라고 한다.

산화-환원 반응은 산-염기 반응과 마찬가지로 정량적으로 일어나기 때문에 시료의 농도를 알아내는 부피 분석법으로 활용될 수 있다. 농도를 정확하게 알고 있는 산화제 또는 환원제의 표준용액으로 시료를 완전히 산화 또는 환원시키는데 필요한 양을 측정하면 시료에 들어있는 물질의 농도를 알아낼 수 있다. 예를 들면, 환원되는 물질은 센 산화제의 용액으로 적정할 수 있고, 또는 그 반대로도 적정할 수 있다.

산화-환원 적정의 종말점은 여러 가지 방법으로 알아낼 수 있다. 일반적으로 화합물이 산화되거나 환원될 경우에는 색깔이 변하는 경우가 많기 때문에 사용한 산화제나 환원제의 색깔 변화로부터 종말점을 알아낼 수 있는 경우도 있고, 산-염기 적정에서처럼 지시약을 사용하기도 하며, 전기적인 방법을 사용하기도 한다.

본 실험에서는 가장 흔히 이용되는 산화제중의 하나인 과망간산 칼륨 수용액을 사용하고자 한다. 과망간산 이온(MnO4-)은 이온 자신이 지시약이라는 장점이 있다. 진한 자주빛을 띠는 MnO4-이온은 산성 용액에서 무색의 Mn2+이온으로 환원되면서 시료를 산화시킨다.

 

MnO4-(aq) + 8H+(aq) + 5e- → Mn2+(aq) + 4H2O(l) Eo = 1.51 V

 

과망간산을 이용한 전형적인 적정과정은 다음과 같다.

(1) 뷰렛에는 몰농도를 알고 있는 과망간산 용액이 들어 있고 비커에는 알지 못하는양의 환원제가 들어 있는 용액이 있다.

 

(2) 환원제가 약간이라도 남아 있는 한, 과망간산 용액이 가해져도 비커 용액은 무색으로 남아있다.

 

(3) 환원제가 모두 소비된 후에, 한 방울의 과망간산 용액이 가해지면 비커 용액은 엷은 자주빛을 띠게 된다.

 

과망간산 칼륨은 순수한 상태로 얻기 어렵고 대부분의 경우에 소량의 이산화망간(MnO2)이 들어 있어서 옥살산 나트륨, 옥살산 등과 같은 일차 표준 물질로 표준화해서 정확한 농도를 얻어 사용해야한다. 옥살산 나트륨은 과망간산 칼륨과 다음과 같이 반응한다.

 

 

2MnO4- + 5C2O42- + 16H+ → 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O

 

본 실험에서는 산성 용액에서 과산화수소와 과망간산 칼륨을 반응시켜 다음과 같은 산화-환원 반응을 시켜보고자 한다.

 

2MnO4- + 5H2O2 + 6H+ → 2Mn2+ + 5O2 +8H2O

 

즉, 과망간산 이온과 과산화수소가 2:5의 비로 반응하며 용액 속의 과산화수소가 모두 산화되어 Mn2+이온이 된 후에는 용액 속에 과망간산 이온(MnO4-)의 엷은 자주색이 나타나게 되어서 종말점을 결정할 수 있다. 이로부터 과산화수소 수용액의 몰농도와 %농도를 구해보고자 한다.