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1. 실험의 목적 경도는 수중의 용해되어 있는 2가 양이온의 양을 측정하는 지표이다. 2가 양이온은 다른 음이온과의 결함 등의 화학반응을 통하여 세탁이나 난방 또는 건강에 영향을 미친다. 이 실험에서는 이러한 경도를 측정해 봄으로써 경도가 우리의 생활에 미치는 영향을 알아본다. 2. 실험의 원리 경도(hardness)란 수중의 용해되어 있는 Ca2+, Mg2+등의 양이온 금속 이온에 의하여 발생하며 이에 대응하는 탄산칼슘의 ppm으로 환산 표시한 값으로 물의 세기를 나타낸다.3) [표 1]은 경도를 일으키는 주요 양이온과 이들과 결합한 음이온을 나타낸다. [표 1] 경도를 유발한 주요 양, 음이온 양이온 음이온 Ca2+ HCO3- Mg2+ SO42- Sr2+ Cl- Fe2+ NO3- Mn2+ SiO32- 경도의 계산 결과 경도의 분류는 [표 2]와 같다. [표 2] 경도의 분류 ㎎/ℓ 경도 (degree of hardness) 0～75 단물 (soft) 76～150 약한 센물 (moderately hard) 150～300 센물 (hard) 300이상 대단히 센물 (very hard) 경도에는 일시 경도(temporary hardnes)와 영구 경도(permanent hardness)로 구별되고 양자를 합한 것을 총경도(Total hardness)라 한다. 만약 Ca2+과 Mg2+등이 알칼리도를 이루는 탄산염(CO32-), 중탄산염(HCO3-)등과 결합한 존재로 있을 때는 이를 탄산 경도(carbonate hardness)라 하며, 끓임에 의해서 침전이 형성되어 연수화(softening)되므로 일시 경도라고도 한다. 반면 Ca2+, Mg2+등이 산 이온인 SO42-, Cl-, NO3-, SiO3-와 화합물을 이루고 있을 때 나타나는 경도를 비탄산경도(non-carbonate hardness)라 하며, 이들은 끓임에 의해서 제거되지 않으므로 영구 경도라고도 한다. 물의 경도는 주로 토양과 암석층을 통과한 물에서 얻어지게 되는데 빗물 자체로는 그 많은 양의 고형물을 용해시킬 만한 능력이 없다. 경도를 유발하는 용해 능력은 흙에서 이루어지는 박테리아의 작용으로 발생한 CO2탓으로 빗물이 토양 층으로 통과하면서 Co2가 용해되고 탄산과 평형 상태를 이루게 된다. 여기서 생긴 낮은 pH의 토양수는 염기성 물질인 석회삼 등을 용해시키고 석회암 속의 탄산염, 황산염, 규산염 등을 포함시키게 된다. 따라서 센물은 주로 표토층이 주텁고 석회암 층이 존재하는 곳에서 발생하기 쉽고 단물은 표토층이 얇고 석회암 층이 없거나 드문 지역에서 발생한다. 또한 지표수보다 지하수의 경도가 높다. 물이 센물이 되면 물의 이용에 많은 문제점을 발생시킨다. 1) 센물은 세탁 효과를 저하시키다. 센물 속의 이온들이 비누와 먼저 결합 반응하여 세척 효과를 떨어뜨리며, 비누의 거품을 만드는데 다량의 비누가 소비된다. 2) 보일러, 온수관 등의 설비에 물때(scale)를 만들어 각종 장치의 장애를 일으키며 열효율을 떨어뜨린다. 3) 위생적인 면에서 경도가 높은 물을 마실 때는 설사, 복통을 유발하게 된다. 그러나 경도를 주로 구성하는 Ca2+, Mg2+은 인체에 필수적으로 필요한 미네랄로서 물 또는 음식으로부터 충분히 공급받아야 하며 물 속에서는 Ca2+보다 Mg2+양이 비교적 작게 존재하는 것이 일반적이다. 그밖에 인체에 필요한 주요 미네랄은 Na+, K+등이 있는데 일본의 오카 다카키는 인체의 건강에 중요한 이 네 가지 미네랄의 균형 비율을 다음과 같이 정한 바 있다.2) Mg2+의 ㎎당량 ---------------- = 0.1 ～ 0.5 Ca2+의 ㎎당량 Na+의 ㎎당량 ---------------- = 5 ～ 15 K+의 당량 3. 소요 기재 및 시약 ▣ 시약 ▣ a. buffer solution : 염화 암모늄 16.9g을 암모니아수 143㎖에 용해시킨 후 EDTA-Mg염을 1.25g을 가하고 증류수를 넣어 250㎖로 만든다. 한달 이상 저장 불능. b. EBT(지시약) : EBT 0.5g과 염산히드록실아민 45g을 에탄올에 녹여 100㎖로 한다. c. EDTA(0.01M) : 에틸렌 디아민 아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid). EDTA 2수염(C10H14N2Na2O82H2O) 3.723g을 증류수로 용해시켜 1ℓ로 한다. d. Complexing agents : 대부분의 물은 Complexing agents가 필요치 않다. 때때로 물은 방해이온들을 가지고 있어서 물을 깨끗이 하고 색의 change point를 뚜렸히 하기 위해 적당량의 Complexing agenst가 필용하다. 1)반응 억제제 Ⅰ : 산 sample을 완중제나 0.1N NaOH로 pH 6이나 그 이상으로 조절한다. 분말형태의 sodium cyanide (NaCN)을 250㎎더한다. pH 10.0±0.1을 조절하기 위해 완중제를 더한다.(주의 : NaCN은 독성물질이므로 더욱 주의를 해야한다.) 2)반응 억제제 Ⅱ : 5.0g의 Na2S9H20나 3.7g의 Na2S5H20을 100㎖의 물에 녹인다. 적당한 크기의 고무마개로 공기를 차단한다. 이 억제제는 공기의 산화작용으로 나빠진다. 이것은 황하 침저물을 만들어 낸다. 3)MgCDTA (Magnesium salt of 1, 2-cyclohexanediaminetetraacetic acid) : 250㎎/100㎖의 sample을 더하고 완충제를 더하기전에 완전히 녹인다. 방해물질이 존재하여 정확한 end point의 측정을 방해할 때 이 complexing agent를 독성 또는 냄새나는 방응 억제제를 피하기 위해 이용한다. e. Standard calcium solution, 0.1N NaOH f. Sodium hydroxide, NaOH, 0.1N. 1) ▣ 소요기재 ▣ a. 스탠드 b. 50㎖ 뷰렛 c. 100㎖ 비이커 d. 50㎖ 볼 플라스크 e. 250㎖ 삼각플라스크 4. 실험 방법 1.시료를 적절하게 선정한다. 2.시료 25.0㎖에 증류수를 취해 50㎖가 되게 한다. 3.완충액 1～2㎖를 가한다.(pH 10～10.1) 4.지시약을 1～2방울을 가한다.(red) 5.적정하여 소비량을 읽는다.(red→blue) 시료 희석 ↓ 완충액 첨가 ↓ 지시약 가함 ↓ 적정하여 경도측정 ▣ 계산 방법 ▣ A×B×1000 ---------------- = 경도 (EDTA) as mg CaCO3 ㎎/ℓ 시료량 (㎖) A : 적정액 소비량 (㎖) B : 1.00㎖ EDTA 적정량당 탄산칼슘의 ㎎ (㎎ CaCO3 equivalent to 1.00 ㎖ EDTA titrant)
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