산과 염기 실험

물질은 그 성질에 따라 산성, 염기성, 중성을 띠는데 이러한 성질을 이용하여 그 물질의 특성과 작용을 알아본다.

리트머스 종이의 색깔 변화 실험

리트머스 종이 실험을 통해 여러 수용액의 성질을 파악할 수 있다. 리트머스 종이는 기체와 고체에는 아무 변화도 보이지 않는다.

리트머스 종이는 산성에서는 붉은색으로, 염기성에서는 푸른색으로 변한다. 이 성질을 이용하여 어떤 수용액이 산성인지, 염기성인지, 중성인지 알아본다.

준비물

푸른색·붉은색 리트머스 종이, BTB 용액, 핀셋, 붕산, 유리 막대, 여러 가지 수용액, 이산화탄소, 스포이트, 시험관, 비커, 레몬즙, 설탕물, 소금물, 물, 고무관 등

실험관찰

① 고체인 붕산과 기체인 이산화탄소를 각각 리트머스 종이에 묻혀 색깔의 변화를 살펴보자.② 이산화탄소를 물에 녹여 만든 탄산수를 리트머스 종이에 묻혀 색깔의 변화를 알아보자.③ 여러 가지 수용액을 리트머스 종이에 묻혀 나타나는 색깔의 변화를 관찰해 보자.4 실험 결과를 보자

결과

① 고체의 붕산이나 기체의 이산화탄소에서는 리트머스 종이에 아무 변화도 일어나지 않는다.② 푸른 리트머스 종이에 탄산수를 묻히면 붉은색으로 변하는 것으로 보아 탄산수는 산성 용액임을 알 수 있다.③ 수용액에는 붉은 리트머스 종이가 푸르게 변하는 염기성 용액, 푸른 리트머스 종이가 붉게 변하는 산성 용액, 두 리트머스 종이에 아무런 변화도 일으키지 않는 중성 용액이 있다. 예를 들어 염산, 붕산수, 레몬즙은 산성을 띠고, 석회수, 암모니아수, 수산화나트륨 용액은 염기성을 띠는 것으로 나타났다. 또 설탕물과 소금물은 중성을 띠는 것으로 나타났다.

산성 용액의 성질

산은 푸른색 리트머스 종이를 붉은색으로 변화시키고, 신맛을 내며, 금속과 반응하여 수소를 발생시킨다. 이는 산이 가지고 있는 수소 이온 H+ 때문이다.

산성 물질에는 여러 가지가 있는데 그러한 산들은 어떤 특징과 성질을 가지는지 알아보고, 또 공통점이 무엇인지 조사해 보자.

준비물 ㅇ

시험관, 스포이트, 유리 막대, 플라스크, 고무 마개, 스탠드, 5% 황산·염산·아세트산, 리트머스 종이, 페놀프탈레인 용액, BTB 용액, 메틸오렌지 용액, 콕 달린 깔때기, 시험관대 등

실험관찰

① 3개의 시험관에 5%의 묽은 황산·염산·아세트산을 각각 20㎖씩 넣고 시험관대에 꽂자. 유리 막대에 각각의 용액을 묻혀 붉은 리트머스와 푸른 리트머스 종이에 묻혀 색깔의 변화를 살펴보자.② 묽은 황산을 3개의 시험관에 나누어 넣고, 페놀프탈레인 용액, BTB 용액, 메틸오렌지 용액을 각각 두 방울씩 떨어뜨리고 액체의 색깔 변화를 살펴보자. 아세트산과 염산에 대해서도 같은 실험을 해보고 그 결과를 관찰해 보자.③ 마그네슘을 플라스크에 넣고 깔때기의 염산을 조금씩 넣어 발생하는 기체를 수상 치환으로 모아 색깔과 냄새를 맡아 보자. 또 성냥불을 켜 가까이 대어 보자.

결과

① 푸른 리트머스 종이를 붉은색으로 변화시키는 것으로 보아 3가지 용액 모두 산성 용액임을 알 수 있다.② 페놀프탈레인 용액은 변화가 없고, BTB 용액은 노란색으로, 메틸오렌지 용액은 붉은색으로 변한다. 이러한 변화는 아세트산과 염산의 실험에서도 같다.③ 시험관에 모인 기체는 색깔도, 냄새도, 맛도 없으며 성냥불을 갖다 대면 폭음 소리를 내며 탄다. 실험 결과로 보아 이 기체는 수소이다.

염기성 용액의 특성과 성질

염기는 붉은 리트머스 종이를 푸른색으로 변하게 하며, 쓴맛이 난다. 또 단백질을 녹이는 성질이 있고, 염기 중에서 물에 녹는 것을 알칼리라고 한다. 염기의 특성은 염기가 가지고 있는 수산화 이온 OH- 때문이다.

염기성 용액은 어떤 특성과 성질을 지니며, 어떤 공통점을 가지는지 알아본다.

준비물

수산화나트륨 용액, 수산화칼륨 용액, 암모니아수, 페놀프탈레인 용액, BTB 용액, 메틸오렌지 용액, 리트머스 종이, 시험관, 시험관대, 유리 막대, 이산화탄소, 핀셋, 스포이트, 비커 등

실험관찰

① 3개의 시험관에 5% 농도의 수산화나트륨·수산화칼륨·암모니아수를 각각 20㎖씩 넣은 다음 각 용액을 유리 막대로 찍어 리트머스 종이 실험을 해보고 변화를 살펴보자.② 3개의 시험관에 수산화나트륨 5㎖씩을 넣고 스포이트로 페놀프탈레인·BTB·메틸오렌지 용액을 각각 몇 방울씩 떨어뜨려 보자. 수산화칼륨과 암모니아수에 대해서도 같은 실험을 해보자.③ 수산화나트륨 용액을 담을 비커에 공기와 이산화탄소가 가득 찬 시험관을 거꾸로 세워보자.

결과

① 붉은 리트머스 종이만 푸르게 변하는 것으로 보아 3가지 용액은 염기성임을 알 수 있다.② 수산화나트륨은 페놀프탈레인 용액을 붉은색으로, BTB 용액을 푸른색으로, 메틸오렌지 용액을 노란색으로 변화시킨다. 수산화칼륨과 암모니아수에서도 같은 반응을 나타낸다.③ 이산화탄소가 든 시험관으로 수산화나트륨 용액이 올라가며, 공기가 든 시험관은 변화가 없다.

중성 용액 만들기

염산과 수산화나트륨 두 용액을 섞는 비율에 따라 산성, 염기성, 중성 용액을 만들 수 있다.

산성 용액과 염기성 용액을 섞어서 중성 용액을 만들 수 있는지 알아본다.

준비물

시험관, 비커, 플라스크, 스포이트, 페놀프탈레인 용액, 흰 종이, 염산, 묽은 수산화나트륨, 리트머스 종이

실험관찰

① 시험관에 20㎖ 정도의 묽은 염산을 붓고 스포이트로 두세 방울의 페놀프탈레인 용액을 떨어뜨린 다음 몇 차례 흔들어 보자.② 위의 시험관에 묽은 염산과 같은 농도, 같은 양의 수산화나트륨 용액을 넣고 잘 흔들어 색깔의 변화를 살펴보자. 색에 변화가 없으면 있을 때까지 수산화나트륨 용액을 조금씩 더 넣어 보자. 색의 변화가 일어나면 변한 색이 없어질 때까지 묽은 염산을 더 넣은 다음 용액의 맛을 보자.

결과

① 아무런 색깔 변화도 나타나지 않는다.② 수산화나트륨을 계속 넣으면 붉은색으로 변하기 시작한다. 이때 다시 묽은 염산을 조금 넣어 주면 용액의 붉은색이 없어진다. 이 용액을 맛보면 짠맛이 나는데 그것은 묽은 염산과 묽은 수산화나트륨 용액이 알맞게 섞여 중성 용액인 소금물로 변했기 때문이다.

중성 수용액에 다른 수용액을 섞었을 때의 반응

중성 수용액에 다른 성질의 수용액을 섞더라도 변화가 생기지 않는다.

중성 수용액에 산성, 중성, 염기성 수용액을 섞으면 어떤 반응이 나타나는지 알아본다.

준비물

리트머스 종이, 슬라이드 글라스, 비커, 붕산수, 석회수, 소금물, 설탕물, 현미경, 알코올 램프, 유리 막대, 유리관 등

실험관찰

중성인 소금물과 산성인 붕산수를 섞은 뒤 리트머스 종이 실험을 해보자. 또 소금물과 염기성인 석회수를 섞은 뒤 리트머스 종이 실험을 해보자. 끝으로 소금물과 같은 중성인 설탕물을 섞은 뒤 리트머스 종이 실험을 해보자.

결과

중성 수용액은 산성·중성·염기성 수용액을 섞어도 새로운 변화가 생기지 않는다. 두 가지 수용액이 각자의 성질을 유지한 채 혼합되어 있다.

자주색 양배추 용액 만들기와 색깔 반응

자주색 양배추로 용액을 만들고 이것을 산성, 중성, 염기성 용액과 섞었을 때 각각 어떤 반응이 나타나는지 알아본다.

준비물

자주색 양배추, 비커, 알코올 램프, 시약병, 지시약, 시험관 3개, 소금물, 묽은 염산, 묽은 수산화나트륨, 스포이트, 거름종이

실험관찰

① 자주색 양배추 잎을 깨끗이 씻어 잘게 썬 다음 비커에 넣고 물을 양배추가 잠길 만큼 부은 뒤 용액의 색깔이 변할 때까지 가열해 보자. 가열을 마친 용액을 거름종이로 거른 다음 식혀서 시약병에 따라 부어 놓자. ② 시험관 3개에 묽은 염산 용액, 묽은 수산화나트륨 용액, 소금물 각각 20㎖씩 넣은 뒤 스포이트로 시약병의 자주색 양배추 용액을 각각 2-3 방울씩 떨어뜨려 색깔의 변화를 살펴보자.

결과

① 자주색 양배추를 잘게 잘라 물과 함께 가열한 뒤 거르면 보라색의 용액이 만들어진다.② 자주색 양배추 용액은 산성인 묽은 염산 용액에서는 붉은색으로 변하고, 염기성인 수산화나트륨 용액에서는 연록색으로 변하며, 중성인 소금물에서는 아무 변화도 보이지 않는다.

산에 금속을 녹이기

알루미늄은 묽은 염산에 녹아서 수소를 발생한다. 이때 염산의 온도를 높이거나 낮추면 수소가 나오는 모양은 어떻게 되는지 알아본다.

준비물

비커(500m/쯤), 묽은 염산, 시험관, 시험관꽂이, 메스 실린더, 접시저울, 알루미늄 조각, 핀셋, 온도계, 물, 삼발이, 석면 쇠그물, 알코올 램프, 그래프 용지, 기록장, 필기 도구

실험관찰

① 묽은 염산을 3개의 시험관에 농도를 같게 하여 각각 10㎖씩 넣고 그 속에 같은 크기(무게)의 알루미늄 조각을 넣는다. 1개는 그대로 두고, 다른 1개는 더운물 속에 넣어 데우고, 또 다른 1개는 찬물로 식혀서 각각 수소가 발생하는 모양을 비교해 본다.② 수소가 가장 심하게 나올 때의 염산의 온도를 재어 본다.③ 각 시험관에서 수소가 나오지 않게 될 때까지의 시간을 재어 본다.④ 수소가 없어진 뒤, 남은 알루미늄의 크기(무게)를 비교해 보고, 어느 시험관의 알루미늄이 많이 녹았는가를 살펴보자.

결과

① 수소는 더운물로 데운 염산에서 가장 심하게 발생하고, 찬물로 식힌 염산에서 제일 조금 발생한다.② 염산의 온도가 높을수록(60℃) 수소가 많이 발생하고, 또 알루미늄이 녹아서 수소가 발생하면 염산의 온도가 올라간다. 이것으로 알루미늄과 염산이 반응할 때 열이 생긴다는 것을 알 수 있다.③ 온도가 높은 염산일수록 수소가 발생하는 시간이 짧고, 온도가 낮을수록 수소가 발생하는 시간이 오래 계속된다. 실험결과를 볼 때 온도가 높을 수록 변화가 심하다는 것을 확인할 수 있다.④ 어느 시험관이나 남은 알루미늄의 크기(무게)는 같다. 온도가 높은 염산에서는 알루미늄이 녹는 속도는 빠르지만, 알루미늄을 녹이는 양은 같다는 것을 알 수 있다.