자세히살펴보겠습니다.

이번 시간은 수소이농농도인 pH를 알아 보는 시간입니다.

pH의 기본개념과 원리, 자연환경에서 pH의 중요성, 그리고 분석방법 등에 대하여

자세히 살펴보겠습니다.

수소이온농도(pH)

1) 1기압 25℃에서 순수한 물은 수소이온의 농도가 약 10^-7M 이며, 산성과 염기성은 이 수치를 기준으로 측정할 수 있다.

하지만 수용액 속에 포함되어 있는 수소이온의 실제 몰수는 매우 작은 값이어서 수치로 표현하기가 매우 불편하다.

1) 따라서 수소 이온량을 역수로하여, 상용 로그를 취하는데 이 값을 수소이온농도지수, 즉 pH라고 하며, 산성과 염기성을 나타내기 위 한 간단한 방법으로 사용하고 있다

1. pH 개요

3) pH는 물이 얼마나 산성 또는 염기성 인지를 가르키는 지표이 다. pH 7을 가지는 물은 산성도 염기성도 아닌 중성이라고 하 며, pH 7 이하를 가지는 물은 산성이고, pH 7 이상의 물은 염기 성이다.

4) 따라서 pH의 범위는 0에서 14까지 되어 있고, pH 7로 부터 값의 차이가 많이 날수록, 그 물은 더 산성이던가 또는 더 염기 성이 된다.

5) pH는 1909년 덴마크 화학자에 의해 처음 도입되었으며, 1924년 현대의 pH로 개정되었다.

 자연환경에서 pH를 변동시키는 요인에 있어, 무기적 요인에는 탄산, 붕산, 인산, 황화수소, 차아염소산의 해리, 염산, 황산, 질산 등의 배출에 기인되는 경우가 많으며,

 유기적 요인으로는 생물체의 대사활동에 의한 초산, 낙산, 젖산, 프로피온산 등의 유기산 유입에 의한 경우가 있다.

 자연 환경에서 담수계의 일반적인 pH 변화 범위는 보통 6.0∼8.0 이고, 해수는 7.7∼8.3의 범위를 가지며, 토양의 경우는 3.0∼10.0 의 범위를 보인다.

자연환경에서의 pH

 해수의 pH 변동 범위가 비교적 작게 나타나는 것은, 알카리도에 의한 완충능력이 크기 때문인데, 해수의 pH가 크게 변하면 다량의 산 이나 알카리성 물질이 유입된 것으로 보아야 한다.

 그러나 담수의 경우 알카리도가 낮고 조류에 의한 이산화탄소 소비와 수중 생물의 호흡 등에 의해 pH 변화가 심하게 나타나므 로, 외부로 부터 산 또는 알카리성 물질 등의 오염물질 유입에 의한 것인지 쉽게 판정하기가 어렵다.

 생물은 특성에 따라 적정 pH 범위에서 서식한다. 만일 적정 pH 범 위를 벗어나게 되면, 세포막의 투과성 또는 효소작용에 영향을 받 아 생명에 위험을 받는다. 따라서 각 어류들이 서식하기에 좋아하 는 적정 pH를 유지시켜 주는 일이 무엇보다도 중요하다.

1) 자연적으로 발생하는 많은 물질들은 화학반응을 통해서 형성되기 도 하고 분해되기도 한다. 이러한 화학반응은 반응물질로 부터

생성계로 향한 정반응과 생성계로 부터 원래의 반응계로 진행되는 역반응이 있다.

1) 이들 반응의 정반응속도와 역반응속도가 평형을 이루어 외견상

반응이 정지되어 있는 것과 같은 동적평형상태를 화학평형이라 함.

1) 모든 산은 물에 녹았을 때 예외 없이 네 가지의 기본 특성을 나타 낸다. 즉, 맛이 시고, 푸른 리트머스종이를 붉게 하고, 염기를 중화 하며, 활성을 띤 금속과 반응하여 원소상태의 수소를 내어 놓는다.

산과 염기

4) 잘 알려진 산들은 구조상으로 모두 수소를 포함하고 있으며 산의 용액을 전기분해하면 음극에서 원소 상태의 수소가 나온다

5) 염기는 수용액이 미끈미끈하며, 맛이 쓰거나, 떫으며, 붉은 리트머 스종이를 푸르게 하고, 산을 중화 하는 화합물이라고 정의.

6) 염기는 음이온으로서 수산화이온을 내놓으며 용액에서 내놓는 정 도로서 염기의 세기가 정해진다. 많은 화합물이 물에 녹지 않고 산 이나 염기에서 녹기도 함.

7) 산에서 녹는 화합물은 염기성을 띄고, 염기에서 녹는 화합물은 산 성을 띈다. 대부분의 금속은 염기성 산화물로서 산에 녹거나 염기 성 용액을 형성하며, 대부분의 비금속은 산성 산화물로서 염기에 녹거나 산성 용액을 형성한다.

8) 일반적으로 산－염기반응은 거의 물의 존재 하에서 일어나며,

물속 수소이온 농도가 주입된 산의 농도와 항상 같은 농도를 가지 지 않는다.

만일 사람의 위 속에 염산이 0.1M 농도로 존재하면,

이때 pH는 1이다. 염산이 완전하게 이온화되기 때문이며 이를 강산이라 칭한다.

8) 그러나 초산은 물속에서 단지 1%만 해리되어 초산 분자의 1%만 이 자유 수소이온으로 존재한다. 만일 물속에 초산 농도가 0.001M 이라면 수소이온 농도는 1 × 10^－3M이 되며 pH는 3이 된다.

9) 따라서 완전하게 이온화되지 않는 산이나 염기를 약산, 약염기라 한다. 자연적으로 발생하는 산․염기의 대부분은 약산 또는 약염기 로서, 수용액에서 부분적으로만 이온화되기 때문에 pH 범위는 상 대적으로 좁게 됨

1) 산과 염기의 성질

① 산의 성질

* 산은 신맛이 나며, 푸른색 리트머스 종이를 붉게 변화시킨다.

* 또한, 산은 수소보다 이온화 경향이 큰 금속과 반응하여 수소기체를 발생하고, 염기와 중화 반응을 한다.

② 염기의 성질

* 염기는 쓴맛이 나며, 붉은색 리트머스 종이를 푸르게 변화시키고, 페놀프탈레인 용액을 붉게 변화시킨다.

* 단백질을 녹이는 성질이 있어 촉감이 미끈미끈하고

* 산과 중화 반응을 한다.

산과 염기의 성질

pH와 환경문제

1. 산성비

 산성비는 화석 연료의 연소에 의해 생기는 황산화물이나 질소산화 물 및 대기중에 생성된 황산, 황산염, 질산염 등을 함유한 pH 5.6 미만의 비를 말한다.

 넓은 의미로는 산성 안개, 산성 눈, 산성 분진을 포함하며, 산성 강 하물의 총칭으로 사용하는 경우도 있음

 국경을 넘는 장거리 대기오염으로, 피해는 1960년대부터 현저하게 나타났으며, 유럽의 경우는 1980년대에 이미 전유럽으로 확대됨

 삼림에 심각한 피해를 주어 유럽에서는 녹색 페스트라고 하였고, 또한 산성비는 대리석으로 이루어진 문화재에도 큰 피해를 줌

(1) 스웨덴

스웨덴에서는 자국 내의 85,000개의 호수 가운데 18,000개의 호수 에서 대부분의 어류가 멸종하였거나 급격히 줄어들고 있다.

(2) 독일

1996년 독일 식량농업산림부는 관찰 중인 5,000곳에서 산성비로 인 해 나무의 60%가 나뭇잎 또는 침상엽을 잃어 손상받고 있음을 발견함 (3) 유럽연합

지역내 숲의 상태를 조사해온 유럽위원회는 몇몇 특정지역들에서 나무의 20%가 잎에 손상을 입은 사실을 찾아냈다고 밝혔다.

손상이 가장 광범한 곳은 중부유럽이었다.

 산성비의 pH에 의한 피해 사례

1) 양어장의 pH 조정

(1) 양어장은 pH를 조정하기 위하여 pH 조정액을 사용하는데, 산성 물질로 염산, 황산, 황산암모늄를 사용하고, 알카리 물질로 수산화나 트륨, 탄산나트륨, 소석회 등을 사용한다.

(2) 이때 pH 조정액을 사용할 때 주의하여야 할 점은

① 산 및 알카리용액은 온도에 따라 점성계수가 변하며, 저온시에는 용해도가 떨어져 농도가 달라지므로 보온 또는 가온이 필요

② 조정액을 사용하는 수조의 재질은 내부식성이어야 하고, 배관재 료도 산이나 알카리에 강한 재질을 사용하여야 한다.

③ 강산, 강알카리 용액은 사육 중인 어류를 죽일 수 있으므로 사용 농도에 주의를 기울여야 한다.

2. 양어장에서의 pH변화

2) 양어장의 pH 변화

 하루 중의 pH 변화는 식물플랑크톤이나 수중식물들의 광합성 율에 따라 변한다.

 즉 낮에는 식물플랑크톤의 광합성작용으로 수중에 있는 이산화탄 소 및 중탄산이온의 소비로 pH는 올라가고, 밤에는 식물플랑크톤 및 동물의 호흡작용, 대기중의 CO₂ 유입으로 pH는 내려간다.

 대부분의 양어장의 pH는 6∼9 사이에 있으며 하루중의 pH 변화는 1∼3 단위 정도의 변화를 가진다.

 그러나 기수성 양어장에서는 보통 pH 8∼9의 범위를 가지며, 하루 중의 pH 변화는 담수에서 보다 작은 특성을 가짐.

 이산화탄소는 물 속에 용해되면, 수소이온을 유리시켜 물의 pH를 산성화 시킨다. 만일 수중 광합성으로 인해 이산화탄소 농도가 증가 하면 수소이온 농도가 증가하여 pH는 감소한다. 반대로 이산화탄소 의 농도가 감소하면 수소이온의 농도는 떨어지고 pH는 올라간다.

 물 속에서 CO₂가 존재하는 상태에 따라서 물의 pH는 달라진다.

즉 중성 부근에서 CO₂는 중탄산이온의 형태로 존재하게 되고 따라서 식물플랑크톤이 광합성에 이용하는 이산화탄소는 중탄산 이온의 형태가 됨

 광합성에 의해 물 속의 CO₂를 소비하는 것은 물 속의 중탄산염과 탄산염의 농도를 함께 변동시킨다. 식물플랑크톤이 많이 번식한 양 어장의 경우, 광합성에 의해 많은 CO₂가 유기탄소로 전환되고 이 유기탄소로부터 CO₂ 방출을 초과시켜 이른 아침의 pH값을 점차 증가시키는 결과를 가져오게 됨.

 수중에 나트륨과 칼륨이 많은 양어장에서는 광합성이 빠르게 일어 나고 있는 낮 동안에 pH가 10이상으로 상승하는 경우도 있다. 이 것은 탄산칼슘보다 탄산나트륨이나 탄산캄륨이 용해성이어서 탄산 염의 많은 축적을 가져오기 때문이다.

(3) 어류와 pH

 담수 어류는 pH 4 이하에서는 죽음에 이르고, pH 4∼5에서는 번식 을 하지 못한다. pH 5∼6에서는 성장이 느려지고, pH 6∼9에서는 정상적으로 성장한다. pH 9∼11에서는 다시 성장이 느려지고, pH 11 이상에서는 죽음에 이른다.

 보통 양어장에서 산성 또는 알카리성 문제는 어류의 성장, 번식 또 는 생존에 나쁜 영향을 나타내는데, 어류에 대한 pH의 영향은 사육 수의 직접적인 영향도 중요하지만,

 산성화된 저질이 플랑크톤과 저서 생물에 미치는 영향도 크다는 점 이다. 물론 이러한 영향은 어류의 생리와 번식에 반영되어 나타난다

3. pH에 의한 토양의 산성화

 토양의 산성화는 자연적 또는 인위적 현상에 의해 토양 pH가 감소하는 현상이다. 토양의 pH는 토양의 다양한 화학적 및 생물학적 특성에 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다.

 산성화가 식물에 미치는 영향으로는, pH 4에서 일부 꽃들에 서 탈색현상이 발생하기도 하며, pH 3에서 심각한 식물의 생 육 저해가 일어난다. pH가 더 떨어져서 pH 2가 되면 침엽수 림은 말라서 죽게 되고, 토양의 산성화가 급속히 진행되어 결 국엔 식물이 살지 못하는 죽은 지역이 된다.

 결국, 토양이 산성화되면 식물이 제대로 자라지 못하며, 낙엽이나 동물 사체의 분해가 제대로 이루어지지지 않아 토양 생물의 영양 공급이나 먹이 제공에 직접적으로 영향을 주게 된다.

 산성화된 호수는 pH 5 이하의 강한 산성을 나타내는데, pH가 약 4.8 정도가 되면 이끼류, 조개류, 갑각류 등이 살 수 없으며,

pH가 4.5 이하이면 거의 모든 생물에 막대한 영향을 끼치게 된다.

 20세기 이후, 스웨덴의 약 2만 1,500개의 호수가 산성비의 영향을 받아, 이 중 약 4,500개 호수에서 물고기가 죽는 현상이 나타났다.

 또한 노르웨이에서도 약 2,650개의 호수, 캐나다에서 약 4,000개 의 호수가 산성화로 인해 죽어간다고 조사된 바 있다.

4. 호수의 산성화

5. 해양의 산성화

 해수 표면의 pH는 7.9~8.2 정도의 약한 알칼리성을 나타낸다. 인간 활동에 의해 배출된 이산화탄소의 약 절반은 바다에 흡수됐다고 추 정되는데, 바다에 녹은 CO₂는 수소이온과 탄산수소이온으로 이온 화하기 때문에 pH가 저하된다.

 이에 해양 산성화는 바다가 가진 이산화탄소 흡수 능력을 저하시킬 수 있기 때문에 지구 온난화가 가속화될 것이라는 우려를 낳고있다.

 또한 수소이온의 증가에 따라 탄산 이온이 감소돼 해양생물의 골격 이나 껍질 등의 성분인 탄산칼슘의 생성량이 줄어든다. 이에 해양 산성화는 산호초 발달 저해와 플랑크톤, 성게 등의 조개류와 갑각 류 성장을 방해한다.

1) 일본의 해양 산성화 연구 결과

 일본기상청이 매년 정기적으로 제공하는 지구 전체의 해양 산성화 정보에 따르면, 1990년 이후 지구전체의 평균 해양 pH가 약 0.05 즉 10년당 약 0.018 감소한 것으로 나타났다.

 이는 기후변화국제협의체(IPCC) 제5차 평가보고서에서 보고된 산 업혁명 이후 약 250년간 0.1 하락(10년당 약 0.004)한 속도보다 4.5배 빨라 지구온난화 가속화에 대한 우려가 나오고 있다.

 최근 스마트 재팬은 해역별 평균 pH 저하 속도는 태평양 10년당 0.017, 대서양 10년 당 0.017, 인도양에서는 10년 당 0.02이며,

해양 산성화는 지구 전체에서 진행되는 현상 임을 재확인했다고 보고 함.

2) 미국의 해양 산성화 연구결과로는

 북태평양의 굴어업협회는 2005년과 2009년 사이에 굴 생산량이 22% 감소되었는데, 바다 산성화 진행 속도가 빨라지면서 생물 종 들이 단순화되고 있다는 지적이 제기되고 있다.

 지구 대기와 해양환경이 미친 인간 영향에 대한 특별 보고서에 따 르면 바다의 산성화와 온실가스가 계속해서 배출된다면 바다의 산 호초는 99% 이상 사라진다고 보고하고 있다.

수소이온농도(pH) 실험방법

1) 전극법에 의한 pH 측정

물속의 수소이온농도(pH)를 측정하는 방법으로, 기준전극과

비교 전극으로 구성되어진 pH 측정기를 사용하여 양전극 간에 생성 되는 기전력의 차를 이용하여 측정하는 방법이다.

2) 전극법의 적용범위

수온이 0~40℃인 지표수, 지하수, 폐수에 적용되며, 정량 범위는 pH 0~14이다.

3) 간섭물질

 일반적으로 유리전극은 용액의 색도, 탁도, 콜로이드성 물질들, 산 화 및 환원성 물질들 그리고 염도에 의해 간섭을 받지 않는다.

 pH 10 이상에서 나트륨에 의해 오차가 발생할 수 있는데, 이는 “낮은 나트륨 오차 전극”을 사용하여 줄일 수 있다.

 기름 층이나 작은 입자상이 전극을 피복하여 pH 측정을 방해할 수 있는데, 이 피복물은 염산(1+9)사용한 세척으로 제거할 수 있음

 pH는 온도변화에 따라 영향을 받게 되어, pH 측정기는 자동으로 온도를 보정하나 수동으로 보정하여야 함

 pH 측정기는 보통 유리 전극 및 비교전극으로 된 검출부와 검출 된 pH를 표시하는 지시부로 되어 있다.

 지시부에는 전위조절용 꼭지 및 온도보상용 꼭지가 있으며, 온도 보상용 꼭지가 없는 것은 온도보상용 감온부가 있게 됨

- 검출부

시료에 접하는 부분으로 유리 전극 또는 안티몬 전극과 비교전극으 로 구성되며, 측정시 온도를 함께 측정 할 수 있어야 한다.

- 지시부

전위조절 및 온도 보상용 꼭지로 구성되어 있고, 측정기의 운전상태, 측정 결과, 교정값 등을 확인하고 기록할 수 있어야 한다

2. 분석기기 및 장비

1) 분석방법

 유리 전극을 미리 정제수에 수 시간 담가 두어야 함.

 유리 전극을 정제수에서 꺼내어 거름종이 등으로 가볍게 닦아낸다.

 유리 전극을 측정하고자 하는 시료에 담가 pH의 측정결과가 안정 화될 때 까지 기다려야 함.

 측정된 pH가 안정되면 측정값을 기록하고

 시료로 부터 pH 전극을 꺼내어 정제수로 세척한 다음 거름종이 등으로 가볍게 닦아내어 제조사에서 제시하는 보관 용액 또는 정 제수에 담아 보관한다.

3. 분석절차

2) pH 전극 보정

※ 보정은 다음과 같은 순서로 3개 이상의 표준용액으로 실시한다.

 전극을 프탈산염 표준용액 pH 4.00 또는 pH 4.01 표준용액에 담그 고 표시된 값을 보정한다.

 전극을 인산염 표준용액 pH 6.88 또는 pH 7.00 표준용액에 담그고 표시된 값을 보정한다.

 전극을 탄산염 표준용액 pH 10.07 또는 pH 10.01 표준용액에 담그 고 표시된 값을 보정한다.

 각 표준용액을 보정한 전극은 표준용액에서 꺼내어 정제수로 3회 이상 세척하고 거름종이 등으로 가볍게 닦아낸다

3) 온도보정

 pH 4 또는 pH10 표준용액에 온도보정용 감온소자가 포함된 전극 을 담그고, 표준용액의 온도를 10~30℃ 사이로 변화시켜 5℃ 간 격으로 pH를 측정하여 차이를 구한다.

 가능하면 pH 측정시 온도를 함께 측정해야 하며, 그렇지 못할 경 우 보정값을 사용하며, 보정표에 없는 온도의 pH 값은 표의 값에 서 내삽법으로 구하게 됨.

기금까지 수소이농농도인

pH에 대하여 공부해 보았습니다.

pH의 기본개념인 산과 염기,

지구환경에서 pH 변화로 빌생되는 많은 문제들, 그리고 pH 분석방법 등을

자세히 살펴보았습니다.

이상으로 강의를 마치겠습니다.