산·염기 적정 문제에서 가장 많이 출제되는 유형 중 하나는 적절한 지시약을 선택하는 문제이다. 많은 수험생이 페놀프탈레인과 메틸오렌지를 암기하는 데 집중하지만, 실제로는 적정곡선과 지시약의 변색 범위를 이해하는 것이 훨씬 중요하다.
이번에는 약산인 아스피린과 약염기인 퀴닌의 적정을 예로 들어 어떤 지시약이 적합한지 알아보자.
문제
다음 지시약 중 아스피린 적정과 퀴닌 적정에 적합한 지시약을 각각 고르시오.
① 브로모페놀 블루 pKa 4.0
② 메틸레드 pKa 5.1
③ 크레솔레드 pKa 8.3
④ 염화페놀블루 pKa 6.0
정답
아스피린 적정 : ③, ④
퀴닌 적정 : ①, ②
문제를 풀기 전에 알아야 할 핵심 원리
산·염기 지시약은 약산 또는 약염기의 성질을 가진 화합물이다.
지시약은 수소이온 농도에 따라 구조가 변하면서 색이 바뀌게 된다.
일반적으로 지시약의 변색 범위는 다음과 같이 표현된다.
변색 범위 ≈ pKa ± 1
따라서 각 지시약의 변색 범위를 계산하면 다음과 같다.
지시약pKa변색 범위
| 브로모페놀 블루 | 4.0 | pH 3.0 ~ 5.0 |
| 메틸레드 | 5.1 | pH 4.1 ~ 6.1 |
| 염화페놀블루 | 6.0 | pH 5.0 ~ 7.0 |
| 크레솔레드 | 8.3 | pH 7.3 ~ 9.3 |
아스피린 적정 분석
아스피린은 카복실산기를 가진 대표적인 약산이다.
이를 강염기인 NaOH로 적정하면 당량점은 pH 7보다 높은 알칼리성 영역에서 나타난다.
약산이 강염기와 반응하면 생성되는 짝염기가 물과 반응하여 용액을 염기성으로 만들기 때문이다.
따라서 종말점 역시 알칼리성 영역에 위치하게 된다.
이 경우 변색 범위가 높은 pH 영역에 위치한 지시약을 사용해야 한다.
각 지시약을 살펴보면
브로모페놀 블루는 pH 3~5에서 변색한다.
메틸레드는 pH 4.1~6.1에서 변색한다.
이 두 지시약은 종말점보다 훨씬 낮은 pH에서 이미 색이 변하므로 적합하지 않다.
반면
염화페놀블루는 pH 5~7에서 변색하며
크레솔레드는 pH 7.3~9.3에서 변색한다.
두 지시약 모두 적정곡선의 급격한 pH 변화 구간에 포함될 수 있으므로 사용 가능하다.
따라서 아스피린 적정에는
③ 크레솔레드
④ 염화페놀블루
가 적합하다.
퀴닌 적정 분석
퀴닌은 pKa 8.05를 가지는 약염기이다.
강산인 HCl로 적정하면 적정곡선은 점차 감소하다가 당량점 부근에서 급격하게 하강한다.
중요한 점은 당량점이 pH 7 이하의 산성 영역에 나타난다는 것이다.
이는 적정 후 생성된 퀴늄 이온이 산성을 나타내기 때문이다.
따라서 종말점 역시 산성 영역에 존재한다.
이 경우 변색 범위가 낮은 pH 영역에 있는 지시약을 선택해야 한다.
브로모페놀 블루는 pH 3~5
메틸레드는 pH 4.1~6.1
에서 변색한다.
이 범위는 퀴닌 적정곡선의 급격한 pH 변화 구간과 잘 일치한다.
반면
염화페놀블루와 크레솔레드는 너무 높은 pH 영역에서 변색하므로 실제 종말점보다 훨씬 이른 시점에 색이 변하게 된다.
따라서 퀴닌 적정에는
① 브로모페놀 블루
② 메틸레드
가 적합하다.
시험에서 자주 나오는 함정
많은 학생들이
약산은 페놀프탈레인
약염기는 메틸오렌지
라고 암기한다.
하지만 이는 일부 경우에만 적용되는 단순화된 공식이다.
실제 시험에서는 새로운 지시약의 pKa를 제시한 후 적절한 지시약을 고르게 하는 문제가 자주 출제된다.
이때는 암기가 아니라 적정곡선과 변색 범위를 비교해야 한다.
즉 가장 중요한 원칙은 다음과 같다.
지시약의 변색 범위가 적정곡선의 급격한 pH 변화 구간 안에 포함되어야 한다.
이 원리만 이해하면 처음 보는 지시약이 등장하더라도 충분히 정답을 찾을 수 있다.
최종 정리
아스피린은 약산이므로 강염기 적정 시 종말점이 알칼리성 영역에 나타난다.
따라서 높은 pH에서 변색하는 크레솔레드와 염화페놀블루가 적합하다.
퀴닌은 약염기이므로 강산 적정 시 종말점이 산성 영역에 나타난다.
따라서 낮은 pH에서 변색하는 브로모페놀 블루와 메틸레드가 적합하다.
정답은 아스피린 ③, ④ / 퀴닌 ①, ② 이다.
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