환경기능사 필기면제자 검정시험
용존 산소 측정
(Dissolved Oxygen)
환경화학공업과
교사 : 이 원
이리공업고등학교
실험 개요
1. 실습 목표
(1) 용존 산소가 수질에 미치는 영향을 이해할 수 있다.
(2) 윙클러-아지드화나트륨 변법으로 용존 산소를 측정할 수 있다.
2. 실험 배경지식 및 이론
(1) 용존 산소
물에 녹아 있는 산소(O2)의 양을 용존 산소라 하며, ㎎O2/ℓ 또는 ppm단위로 표 시한다.
대기 중에 산소는 물에 녹아 들어가 수중의 생물들이 살아가는데 적절한 환경 을 제공하기 때문에 물속에 녹아 있는 용존산소의 양을 파악하는 것은 해당 수질 의 좋고 나쁨을 판단하는 지표가 된다.
이 값은 대기 중에 있는 산소의 자연적 용해 및 조류나 수중 식물의 광합성 작 용에 의해 증가하고, 수온의 상승, 물속에 있는 오염된 무기 화합물에 의한 산화 작용, 동식물의 호흡에 의한 소비, 미생물이 유기물을 분해할 때 그 양이 감소한 다.
물속에 산소가 녹아 있을 때에는 호기성(세균 따위가 산소를 좋아하여 공기 중 에서 잘 자라는 성질)미생물에 의해 그 양이 소모되어 수중 생물에게 무해한 최 종 생성물이 형성되는데 비하여, 용존 산소가 없는 혐기성(산소를 좋아하지 않아 공기 중에서 잘 자라지 않는 성질) 상태일 때에는 SO42-, NO3- 등과 같은 특
정한 무기염 중의 결합산소를 미생물이 취하고, H2S, CH4, N2 등을 발생시키기 때 문에 호기성 생물체가 죽게 되는 원인이 된다.
따라서, 물 속의 용존 산소의 양을 측정하는 것은 물속에서의 화학적 및 생물학 적 반응을 이해하고 물의 오염을 추정하는데 대단히 중요하다.
(2) 윙클러-아지드화나트륨(Winkler-Azide) 변법
황산망간(MnSO4)에 알칼리성 요오드화칼륨(Alkali KI-NaN3)용액을 넣을 때 생
기는 수산화제일망간{Mn(OH)2}이 시료 중의 용존 산소(O2)에 의해 산화되어 이산 화망간(MnO2)이 되고, 황산(c-H2SO4) 산성 하에서 용존 산소량에 대응하는 요오드 (I2)를 유리하게 된다.
이렇게 유리된 요오드를 티오황산나트륨(Na2S2O3) 용액으로 적정하여 용존 산소 의 양을 정량하는 방법이다.
- 관계되는 화학반응식 -
MnSO4+2NaOH→Mn(OH)2(↓흰색침전)+Na2SO4---① Mn(OH)2+1/2O2→MnO2(↓갈색침전)+H2O---② MnO2+2KI+2H2SO4→MnSO4+K2SO4+I2+2H2O---③ I2+2Na2S2O3→Na2S4O6+2NaI---④
①, ②, ③, ④ 반응에서 O2(용존 산소) 1/2㏖로부터 1㏖의 I2가 유리되고, I2 1㏖
은 적정시 2㏖의 Na2S2O3와 반응한다.
1/2O2≡I2≡2Na2S2O3
따라서, Na2S2O3 1㏖은 1/4㏖ O2(=8gO2=1g당량O2)와 반응하게 되므로, 위 반응 에서 Na2S2O3 1㏖은 O2와의 반응시 1g당량물질로 작용하게 된다.
시약(Reagents)
1. 황산망간(MnSO 4 ․ 4H 2 O) 2. 수산화나트륨(NaOH) 3. 요오드화칼륨(KI)
4. 아지드화나트륨(NaN 3 ) 5. 진한 황산(H 2 SO 4 )
6. 티오황산나트륨(Na 2 S 2 O 3 ․ 5H 2 O)
〈 0.1N 티오황산나트륨액 〉
1ℓ 중 티오황산나트륨( Na2S2O3․5H2O : 248.17 ) 24.817g을 함유한다.
∙ 조 제
티오황산나트륨․5수화물 26g 및 무수탄산나트륨 0.2g에 새로 끓여 식힌 물을 넣 어 녹여 1ℓ로 하고 이소아밀알코올 약 10㎖를 넣고 2일간 방치한 후 다음과 같이 표정한다.
∙ 표 정
요오드산칼륨(표준시약)을 120～140℃에서 약 2시간 건조한 다음 건조용기(실리카겔)에 서 식혀 약 100㎎을 요오드병에 정밀히 달아 물 25㎖를 넣어 녹이고 요오드화칼륨 2g 및 10% 염산용액 10㎖를 넣어 마개를 닫고 어두운 곳에 약 10분간 방치한 다 음 물 100㎖를 넣어 유리된 요오드를 조제된 티오황산나트륨액으로 적정하여 규 정도 계수를 계산한다.
다만, 적정의 종말점은 액의 종말점 부근에서 엷은 황색으로 되었을 때 전분용액 3
㎖를 넣어 생긴 청색이 탈색될 때로 한다. 같은 방법으로 바탕시험을 하여 보정한 다.
0.1N 티오황산나트륨액 1㎖ = 3.5667㎎ KIO3
주의 : 오랫동안 보관된 것은 표정하여 보정한다.
〈 0.025N 티오황산나트륨액 〉
0.1N 티오황산나트륨액 250㎖를 정확히 취하여 새로 끓여 식힌 물을 넣어 정확 히 1,000㎖로 한다.
7. 무수탄산나트륨(Na 2 CO 3 ,Anhydrous) 8. 플루오르화칼륨(KF)
9. 가용성전분(starch, 요오드반응으로 청자색으로 변색)
실험 방법
1. 재료 및 사용 기구
(1) 재료
황산망간(MnSO4․4H2O), 수산화나트륨(NaOH), 요오드화칼륨(KI), 아지드화나트륨 (NaN3), 진한 황산(H2SO4), 티오황산나트륨(Na2S2O3․5H2O), 무수탄산나트륨 (Na2CO3,Anhydrous), 플루오르화칼륨(KF), 가용성전분(starch, 요오드반응으로 청자 색)
(2) 사용 기구
100㎖ 메스플라스크 4개, 100㎖ 갈색 메스플라스크 1개, 용존 산소 측정병 (또는 BOD병), suction(흡수관), 고무호스 50㎝가량, 비이커, 피펫(홀피펫 또는 메 스페펫 1㎖, 2㎖), 피펫휠러, 삼각플라스크, 스포이드, 200~250㎖ 메스실린더, 스탠 드, 뷰렛, 깔대기, 견출지, 파라필름, 약포지, 시약수저, 전자저울
2. 안전 및 유의 사항
(1) 시료수를 채취할 때 공기와 접촉하지 않도록 채취한다.
(2) 0.025N-Na2S2O3액 한 방울에 의해서도 시료수의 색깔이 순간적으로 변할 수 있으 므로 적정을 할 때 신중하게 뷰렛 콕크를 조절한다.
(3) 시료수의 용존 산소를 고정하거나 요오드를 유리하기 위해서는 반드시 시약을 순서 대로 가해 주어야 한다.
(4) 시료수에 시약을 가할 때에는 피펫이 용존 산소 측정병(또는 BOD병)의 바닥 벽면 쪽에 밀착되게 하여 기포가 생기지 않도록 시약을 천천히 가한다.
(5) 메스플라스크, 메스실린더의 눈금을 읽을 때에는 눈금과 눈의 위치가 수평이 되도 록하여 읽는다.
3. 시약 제조
(1) 황산망간 용액 제조
황산망간․4수화물(MnSO4·4H2O) 48g 황산망간․2수화물(MnSO4·2H2O) 40g 황산망간․1수화물(MnSO4·H2O) 36.4g
위 세 가지 중 하나를 선택하여 여과한 후 100㎖제조(이 용액은 산성에서 KI용 액을 가했을 때 전분 용액의 색을 변색하지 말 것)
(2) 알칼리성 요오드화칼륨-아지드화나트륨
수산화나트륨 50g(또는 수산화칼륨 70g), 요오드화칼륨 15g(또는 요오드화나트 륨 13.5g), 아지드화나트륨 1g을 물에 녹여 100㎖로 한다. 갈색병에 넣어 어두운 곳에서 보관한다. 이 용액은 산성에서 요오드를 유리한다.
(3) 30% 플루오르화칼륨 용액
플루오르화칼륨 30g을 물에 녹여 100㎖로 한다(철 이온이 시료에 있는 경우 플 루오르화칼륨 용액을 1㎖넣는다. 단, 본 환경기능사 검정시험에서는 철 이온이 없 다고 가정한다.).
(4) 0.025N-Na2S2O3액
티오황산나트륨 (Na2S2O3·5H2O) 약 6.2g과 Na2CO3 약 0.2g을 끓여 식힌 물을 넣어 정확히 1ℓ로 한다(또는 티오황산나트륨 (Na2S2O3·5H2O) 약 0.62g과 Na2CO3
약 0.02g을 끓여 식힌 물을 넣어 정확히 100㎖로 한다.).
(6) 진한황산
분자량 98.07의 진한황산 용액을 사용한다. 사용시 Fume Hood에서 조심스럽게 사용한다.
(5) 전분용액
전분용액 : 가용성전분 1g을 물 10㎖를 넣어 혼화하고 열수 100㎖중에 넣고 1분 간 끓이고 냉각하여 정치한다. 상등액을 사용한다(=전분 1g을 물 100㎖에 넣어 끓인 후 식혀서 상등액을 사용). 사용할 때 조제하며, 이 용액은 요오드반응으로 청자색으로 변색된다.
시약명 시약명 시약명
황산망간(Ⅱ)용액 (Manganese(Ⅱ) Sulfate Solution)
알칼리성 요오드화칼륨 -아지드화나트륨
(KISA Solution)
0.025N -Na2S2O3액 (1/4N-Sodium
Thiosulfate) Factor(at 20℃)=1.001
플루오르화칼륨 30% 용액 (Potassium Fluoride 30%
Solution)
진한황산 (Sulfuric Acid)
전분용액 (Starch Solution)
4. 실험 순서
(1) 시료수 채취(용존 산소 측정병 또는 BOD병)
① 사이폰으로 BOD병 바닥에서부터 시료수를 채워 BOD병 내부의 공기를 밀어 내어 시료수에 함유된 용존 산소의 양이 증가하지 않도록 하며, 시료수 채취시 기 포가 발생되지 않도록 유의한다.
② 시료수가 BOD병을 충분히 흘러넘치도록 받아야 한다. 시료수가 BOD병을 충 분히 넘치지 않으면 BOD병 내부에 공기가 남아 있을 수 있으므로 용존 산소의 양이 변할 수 있다.
(2) 용존 산소 고정(DO 고정)
① 용존 산소를 고정하기 위한 용액은 황산망간 용액과 알칼리성 요오드화칼륨- 아지드화나트륨 용액이며, 순서대로 황산망간 용액과 알칼리성 요오드화칼륨-아지 드화나트륨 용액을 각각 1㎖씩 넣어 용존 산소를 고정한다.
② 먼저 황산망간 용액 1㎖를 홀피펫(또는 메스피펫) 1㎖를 사용하여 정확하게 부피를 측정, 채취하여 가능한한 BOD병 깊숙이 기벽을 통하여 주입하여야 한다.
주입량이 정확하지 않거나 수면에서 주입하면 안된다. 피펫과 피펫휠러의 정확한 사용 방법을 숙지한다.
③ 알칼리성 요오드화칼륨-아지드화나트륨 용액 1㎖를 홀피펫(또는 메스피펫) 1
㎖를 사용하여 정확하게 부피를 측정, 채취하여 가능한한 BOD병 깊숙이 기벽을 통하여 주입하여야 한다. 주입량이 정확하지 않거나 수면에서 주입하면 안된다.
④ 기포가 생기지 않도록 천천히 BOD병의 마개를 닫고 여러 번 BOD병을 회전 하면서 섞어 갈색침전이 생성되도록 한다. 절대로 기포가 발생하면 안된다.
⑤ 2분간 BOD병을 정치시키고 침전 상태를 확인하여 윗부분(상등수)에 미세부 유물이 남아 있으면 다시 회전시켜 완전 침전이 이루어지도록 한다. 미세부유물이 없이 완전 침전이 이루어져야 한다.
(3) 시험 용액 채취
① 100㎖(1/3)이상 맑은 층이 형성되면 BOD병의 마개를 열고 진한 황산 2㎖를 홀피펫(또는 메스피펫) 2㎖를 사용하여 정확하게 부피를 측정, 채취하여 병목으로부터 가능한 한 BOD병 깊숙이 기벽을 통하 여 주입하여야 한다. 주입량이 정확하지 않거나 수면에서 주입하면 안된다.
② BOD병의 마개를 닫고 BOD병을 여러 번 회전하면서 섞어 갈색
침전물을 완전히 용해시킨다. 갈색침전이 남아 있으면 안된다. 맑은 진한 황색을 띈다.
③ 적정에 사용할 시료수는 200㎖이며, 메스실린더(200㎖ 또는 250㎖)를 사용하 여 용존 산소가 고정된 BOD병의 시료수를 정확히 200㎖ 취한다. 200㎖의 시료수 를 삼각플라스크에 정확히 넣어 적정에 사용한다.
(4) 적정
① 뷰렛을 스탠드와 클램프를 이용하여 고정시키고 깔대기를 뷰렛 윗부분에 올 려놓는다.
② 뷰렛의 아랫부분에는 폐수용 비이커를 놓고 뷰렛을 적정 용액으로 세척한 용액을 받을 수 있도록 한다. 깔대기에 0.025N-Na2S2O3액을 천천히 부어 일정량 을 폐수용 비이커로 흘려보내어 세척한다. 어느 정도 세척이 되면 뷰렛 콕크를 닫 고 뷰렛 안이 0.025N-Na2S2O3액으로 채워지도록 한다. 뷰렛의 눈금을 5㎖ 또는 10㎖단위로 정확하게 맞추어 적정에 사용된 용량을 계산하기 쉽도록 한다.
③ 폐수용 비이커를 치우고 진한 황색의 시료수 200㎖가 담긴 삼각플라스크를 적정하기 위하여 뷰렛의 아랫부분에 위치시킨다.
④ 0.025N-Na2S2O3액을 조금씩 흘려보내어 시료수의 색이 연한 노란색으로 변 색되면 뷰렛 콕크를 닫고 삼각플라스크에 담긴 시료수에 전분 용액 1㎖를 넣어 청색으로 변색시킨다.
⑤ 청색으로 변색된 시료수를 다시 0.025N-Na2S2O3액으로 적정하여 무색이 되 는 종말점을 찾아 적정에 사용된 0.025N-Na2S2O3액의 용량을 기록한다.
(5) 계산식과 용어
× ×
×
×
a : 적정에 소비된 0.025N-Na2S2O3 용액량(㎖) f : 0.025N-Na2S2O3 용액의 역가(factor) V1 : 전체 시료량(㎖) (=300㎖)
V2 : 적정에 사용한 시료량(㎖) (=200㎖)
R : 용존 산소 고정에 사용된 시약의 양(㎖) (단, 황산 첨가량은 계산하지 않음)
즉, 황산망간용액과 알칼리성 요오드화칼륨-아지드화나트륨 용액의 첨가량(㎖) (=2㎖)
0.2 : 0.025N-Na2S2O3에 대응하는 산소량(㎎) 1당량=분자량/원자가
O2+4H++4e-↔2H2O ∴32/4=8 0.2=N×1당량=0.025×8
자격 종목 및 등급 환경기능사 배번호 (비번호)
감독위원 확 인
용존 산소 계산식 ∘ 용존 산소(O㎎/ℓ)=
계산 과정 ∘
용존 산소량
∘ 용존 산소(O㎎/ℓ)=
득점
적정 소요량( )㎖ 시험위원 (인)
국가기술 자격검정 실기시험 답안지
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