Ch. 4. 현장 측정 ( 항목 )

1. Ch. 4. 현장 측정 (항목) • pH와 EH • 물의 성질을 (정성적으로) 나타내는 척도로 이용 • 정의 • pH = -log10aH+ (용액 내 용존 수소 이온 활동도의 역수 값의 로그 값) • EH: 용액의 수소 전극에 대한 상대 전위, 전자 농도를 나타내는 함수 • pH와 EH 는 모두 전극을 이용하여 전위차를 측정 • 이들에 대해 자세히 공부하기 전에 먼저 전지 (electrochemical cell)에 대해 공부하자 • 산화수(oxidation state): 순수한 이온결합을 가정할 때의 한 원소의 전하 • 산화-환원(oxidation-reduction): 산화수의 증가 - 감소 • 양극-음극(cathode-anode): 환원-산화가 일어나는 곳

2. Ch. 4. 현장 측정 화학 전지의 모습 http://chem-guide.blogspot.kr/2010/04/electrochemical-cell.html

3. Ch. 4. 현장 측정 • 원리 • 다음과 같은 일반적인 산화-환원 반응에 대해 • aA + bB =cC + dD + ne- • Nernst 공식 • (G=-nFE) • EH: 전극전위(electrodepotential) • Eo: 표준전극전위(standard electrode potential) • R: 이상기체상수(idealgas constant, 0.001987 kcal/K) • T: 절대온도(absolute temperature) • n: 이동된 전자의 수 • F: 패러데이상수(Faraday constant, 23.06 kcal/V.mole)

4. Ch. 4. 현장 측정 • 수소 전극 http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Analytical_Chemistry_2.0/11_Electrochemical_Methods/11B_Potentiometric_Methods

5. Ch. 4. 현장 측정 • 수소 전극에서의 반응 • 0.5H2(g) = H+ + e- • 만일 기압, m 이라면 V • 만일 m •  pH도 EH의 함수

6. Ch. 4. 현장 측정 • 시료 용액에서아래와 같은 산화-환원 반응이 있을 때 • Fe2+ = Fe3+ + e- • 수소전극을 기준전극으로 전위차를 측정할 때 전체적인 반응은 • 0.5H2(g)+Fe3+ = H+ + Fe2+ • 이 때의 전극전위는 * 실제측정할 때는 수소전극을 기준 전극으로 사용하는 일이 거의 없음

7. Ch. 4. 현장 측정 • 측정 방법 • 비색법(Colorimetric method): 지시약을첨가하여 색 변화로 pH 및 EH를 측정하는 방법  현재는 거의 사용되지 않음. • 전위측정법(Electrometric method) 가장 많이 사용 • 전위차계(Potentiometer): • 기준전극(Reference electrode): 전위차 측정의 기준이 되는 전극 • Calomel 전극 (HgCl2-Hg) • AgCl-Ag 전극 • 지시전극(Indicator electrode) • pH: 유리전극(glass electrode) • EH: 백금전극(platinum electrode) • 온도보정기(Temperature compensator) • 자동 보정(ATC) • 수동 보정

8. Ch. 4. 현장 측정 • pH 측정할 때 유의사항 • 완충능력이 우수한 시료만 안정된 값을 보임 • 25oC 이하에서 HCO3-의 함량이 50mg/L보다 적을 때, pH가 4.5보나 낮거나 8.2보다 높을 때 정확한 측정이 어려움 • 측정 중 시료는 정지 상태일 것 • [유리 전극] • 비대칭 전위 주의 (유리 전극의 안과 밖의 차이로 같은 농도이더라도 전위차가 0이 안되는 것) • 미리 준비된 완충 용액으로 보정 • 온도 보정 • 완충 용액과 실제 측정 용액 간의 이온 강도 차이가 크면 측정 부정확 • pH가 1 보다 낮거나 9보다 높을 때는 특수 전극 사용 • 사용하기 전 한 시간 이상 물에 담가 둘것(soaking) • 오래된 전극일수록 반응이 늦고 부정확 • 긁히지 않도록 조심

9. Ch. 4. 현장 측정 유리 전극의 일반적인 구조. 복합전극(combination electrode) http://www.ti.com/ww/en/industrial/sensors/pH/learn.html * 기기의 모든 부분은 직사 광선으로부터 보호할 것

10. Ch. 4. 현장 측정 • EH측정할 때 유의사항 • DO가 0.01ppm 이하일 때만 EH측정 값이 의미 있음 (대부분의 지표수는 DO 값이 이보다 높으며, 이 때는 DO를 측정) • 자연계 대부분의 산화-환원 반응은 비가역적 • 활성 유기물이 다량 포함되어 있는 경우, 이것이 EH값을 지배하며, 그 값은 끊임 없이 변하는 경우가 많음 • 안정된 EH값은 오직 “well poised system”에서만 가능 • 자연계의 측정된 EH는 여러 개의 산화-환원 반응의 혼합 결과 • Fe가 풍부한 시료 내의 C, N, S의 산화-환원 반응은 매우 느려 측정된 EH가뵤에 별 영향을 주지 못함. • [백금전극] • 산소를 다량 포함한 시료에서는 백극전극 표면에 백금수산화물을 형성할 수 있음 • H2S, H2, CH4, 유기물, 철수산화물도 측정 방해 • 자주 Zobell solution으로 효율 점검 • “Poisoning”: pyrex glass 가루, glyceline으로 제거 • 측정값 중 최하값이 참 값에 가까울 가능성이 높음 • Flowing & suspension effect 주의

11. Ch. 4. 현장 측정 • 전도도 (Conductivity) • 전기를 흘릴 수 있는 능력 – 이온 농도, 유동성, 전하, 온도의 함수 • 전도도의 정의 • 전도량(Conductance: G) – 저항의역수, 면적에 비례하고 길이에 반비례 • G = 1/R = k(A/L) • 이 때의 비례상수 k = 비전도도 (specific conductivity) • 항상 25oC를기준으로 보고한다. • 단위 • 옛날 단위: mhos/cm • 현재 단위: S/m (Siemen) • S/cm = mhos/cm

12. Ch. 4. 현장 측정 • 전도도 측정할 때 유의사항 • 전도도 표준 용액을 이용하여 보정 • 온도 보정 • 전극 사용은 백금전극 사용의 유의사항 참조