유황 온천수 속에 녹아있는 환원성 물질인 황화수소의 양을 정량하기 위한 방법은 무엇인가요?

Question

유황 온천수 속에 녹아있는 환원성 물질인 황화수소의 양을 정량하기 위해, 녹말 지시약을 넣고 요오드 표준용액으로 산화-환원 적정하여 용액이 청남색으로 변하는 순간의 소비량은 어떻게 되는가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

유황 온천수 속 황화수소의 양을 요오드 표준용액으로 적정할 때 용액이 청남색으로 변하는 순간의 소비량은 모든 황화수소가 완전히 반응하고 난 뒤 요오드가 아주 미세하게 과량으로 들어간 지점의 부피를 의미합니다. 이 실험은 요오드가 전자를 얻어 환원되고 황화수소가 전자를 내어주며 산화되는 반응을 이용합니다. 화학량론적으로 황화수소 분자와 요오드 분자는 일 대 일의 몰수비로 정확하게 결합하여 원소 상태의 황과 요오드화 이온을 생성합니다.

​실험 시작 전 온천수에 녹말 지시약을 넣고 뷰렛을 통해 요오드 표준용액을 떨어뜨리면 투입된 요오드는 용액 속에 황화수소가 남아있는 한 전자를 받아 요오드화 이온으로 즉시 환원됩니다. 이 이온은 녹말과 반응하지 않으므로 용액은 변색하지 않고 투명함을 유지합니다. 그러다 용액 내부의 황화수소가 전부 소모되는 당량점에 도달한 직후 요오드 용액을 딱 한 방울 더 떨어뜨리면 반응할 상대가 없어 환원되지 않은 분자 상태의 요오드가 용액에 그대로 남게 됩니다.

​이 과량의 요오드 분자가 지시약인 녹말 분자의 나선형 구조 내부로 들어가 결합하면서 순식간에 진한 청남색을 나타내며, 이때의 요오드 용액 부피가 바로 종말점 소비량이 됩니다. 요오드와 황화수소가 일 대 일로 반응하므로 요오드 표준용액의 몰농도에 청남색이 된 순간의 소비 부피를 곱하면 온천수 샘플 속에 녹아있던 황화수소의 총 몰수를 정확하게 산출할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

유황 온천수에 녹아 있는 황화수소는 환원성을 가지므로, 요오드 표준용액을 이용한 산화-환원 적정으로 정량할 수 있는데요, 이때 황화수소가 요오드에 의해 산화되고, 요오드는 환원되어 아이오딘화 이온으로 바뀝니다.

적정이 진행될 때 황화수소 1몰이 요오드 1몰과 반응하여 황과 아이오딘화 수소를 생성하며, 적정 초반에는 첨가되는 모든 요오드가 황화수소와 반응하므로 용액 속에 자유로운 요오드가 남지 않습니다. 실험에서는 녹말 지시약을 넣는데, 녹말은 자유로운 요오드와 결합하면 청남색의 착물을 형성하는데요, 따라서 황화수소가 모두 소모되기 전까지는 넣은 요오드가 즉시 반응해 없어지므로 색 변화가 나타나지 않습니다. 하지만 황화수소가 전부 반응한 이후에는 추가된 요오드가 더 이상 소비되지 않고 용액에 남게 되며, 이 남은 자유 요오드가 녹말과 결합하면서 청남색이 지속적으로 나타나는 순간이 바로 종말점입니다. 이때 종말점까지 사용된 요오드 표준용액의 부피를 알면, 요오드 몰수 = 농도 × 부피이고, 반응비가 H₂S : I₂ = 1 : 1 이므로 황화수소 몰수 = 소비된 요오드 몰수

가 됩니다. 즉, 이를 시료 부피로 나누면 황화수소 농도를 구할 수 있고, 분자량인 34.08 g/mol을 곱하면 질량 농도로 환산할 수 있습니다. 감사합니다.