강염기성 케미컬을 물에 희석하면 pH는 어떻게 변할까?

성능 좋은 프로용 케미컬들을 보면 물에 희석해서 사용하는 경우가 많습니다.

다목적 세정제(APC)나 휠클리너 등은 강염기성인 경우가 많아 물에 희석을 하더라도 주의를 요하게 됩니다. 강염기성이지만 1:10으로 희석하면 약염기성으로 변하거나 중성에 가까울거야..이렇게 생각할 수도 있습니다. 이것은 어디까지나 추측일 뿐 원액을 물에 희석했을 때 pH가 어떻게 변하는지 정확하게 따져보는 것도 좋을 것 같습니다.

포스팅 주제와는 다른 사진입니다. 맥과이어스 스프레이 용기를 이용하여 희석하는 방법은 이렇습니다. 원액 1, 물 10의 비율로 희석하고자 한다면 스프레이 용기의 10:1 표시선까지 물을 부어놓고 원액을 용기의 이음선(사진에서는 검은 일자선)까지 채우면 됩니다. 원액 1, 물 4의 비율로 희석하고자 한다면 마찬가지로 4:1 표시선까지 물을 채운 다음 원액을 용기의 이음선까지 채우면 정확한 희석을 할 수 있습니다.

물에 희석했을 때의 pH 변화에 대해서 제가 그동안 잘못알고 있는 부분이 있어서 이번에 공부를 좀 해봤습니다.

화학에 문외한인 관계로 설명이 미숙하거나 잘못된 부분이 있을 수 있습니다. 잘못된 부분이 있다면 댓글로 지적 부탁드리겠습니다.

먼저 pH에 대해서 알아볼까요?

pH는 용액의 산성도를 가늠하는 척도로 "hydroxyl ion(수산화이온)" 대비 "hydrogen ion(수소이온)"의 농도를 측정한 것인데요. 물로 구성된 어떤 용액에 수소이온이 보다 많을 경우 산성이라 하고 수산화이온이 많을 경우에는 염기성이라고 합니다. 물이 포함된 모든 용액은 그 나름의 pH를 측정할 수 있습니다. pH 지수는 1부터 14까지이며 0~6.9는 산성, 7.1~14는 염기성으로 구분됩니다. pH지수가 7은 중성으로 이때 수소이온의 양과 수산화이온의 양이 평형을 이루고 있는 상태입니다.  자세한 사항은 아래 링크를 참조하세요.

☞ 화학적 클리닝의 이해 http://perfectshine.tistory.com/134

바로 실전으로 들어가볼까요?

맥과이어스 All Purpose Cleaner(APC)의 pH 지수는 13입니다. (2011년 6월 14일 발행 MSDS 참조)

심한 기름때에는 1(원액) :4(물)의 비율로 희석을 하고, 보통의 기름때에는 1:10의 비율로 희석하여 사용하는 제품입니다. 그럼 1:4일 때 pH의 변화가 어떻게 되는지 계산해보겠습니다.

산성의 용액인 경우에는 pH 지수를 수소이온농도로 변환하여 계산하여야 하고, pH 13과 같이 염기성인 경우에는 수산화이온농도(OH-)를 사용해야 합니다. pH 수치를 수산화이온농도와 수소이온농도로 변환하는 방법은 다음과 같습니다. 

맥과이어스 APC는 염기성 용액이므로 수산화이온농도로 변환하면 다음과 같습니다.

희석에 사용할 물을 pH 7.0의 중성이라 가정하구요. APC 1에 물 4를 혼합하는 것이므로 전체 부피는 1+4인 5가 됩니다. 위에서 구한 수산화이온농도를 최종 부피(합산한 부피) 5로 나누면 희석되었을 때의 수산화이온농도를 구할 수 있게 됩니다. 0.1 mol/L를 5로 나누면 0.02 mol/L가 됩니다. 이제 이 수산화이온농도를 pOH 지수로 변환시켜야하는데요. 변환시키는 방법은 -log(OH-)입니다. 위에서 구한 0.02 mol/L을 대입시키면 -log(0.02)이 되고 이것을 계산해보면  약 1.699가 나옵니다. (엑셀에서 계산하시면 간단합니다.) 맥과이어스 APC의 pOH 지수는 1.699인데요. 우리가 구하고자 하는 지수는 pOH 지수가 아닌 pH지수입니다. pOH 지수를 pH지수로 변환하는 방법은 다음과 같습니다.

따라서 맥과이어스 APC를 1:4로 희석했을 때의 pH는 다음과 같습니다.

맥과이어스 APC를 1:4로 희석하면 pH는 약 12.3으로 여전히 강염기성이네요.

이런 계산이 처음이신 분들은 많이 복잡하실겁니다만..몇번 해보시면 그렇게 어렵지는 않습니다. ^^

이제는 맥과이어스 APC를 1:10으로 희석했을 때의 pH를 구해보겠습니다.

OH- = 0.1 mol/L (위에서 이미 구해놓은 수치입니다.)

APC 1에 물 10을 혼합하는 것이므로 전체 부피는 1+10인 11이 됩니다. OH-값을 최종부피인 11로 나누면 

희석된 APC의 OH- 값은 0.009 mol/L이 됩니다. 이것을 pOH로 변환하기 위해서는 -log(0.009)로 계산하면 되는데 값은 약 2.0458입니다. 14에서 이 값(2.0458)을 빼게 되면 우리가 알고자 하는 pH 수치가 나오게 됩니다.

계산해보면 pH 수치는 약 11.95입니다. pH 13인 APC를 1:10으로 희석해도 여전히 강염기성인 것입니다.

염기성 용액을 물에 희석할 경우 pH 지수를 구하는 방법을 정리하면 다음과 같습니다.

이번에는 산성 용액을 희석할 경우 pH 변화에 대해 알아보겠습니다.

샘플로 맥과이어스 Wheel Brightener를 1:4로 희석했을 때의 pH를 계산해보겠습니다.

Wheel Brightener는 휠의 오염정도에 따라 원액에서 최대 1:4까지 희석해서 사용할 수 있는 휠클리너입니다.

Wheel Brightener의 pH는 MSDS 상에서 4.5~5.5로 나오는데 계산에서는 5를 기준으로 하겠습니다.

 

앞서 말씀드린 대로  산성 용액은 pH 지수를 수소이온농도로 변환한 다음 계산해야 합니다.

위의 수소이온농도를 전체 부피 1+4인 5로 나누면 0.000002 mol/L이 되고 이것을 pH 지수로 바꾸기 위해서는 -log(H+)를 적용하면 됩니다. 대입해보면 -log(0.000002) mol/L가 됩니다. 엑셀에서 간단히 계산해보면 5.7이 나옵니다. 즉, pH 5의 용액을 물에 1:4로 희석하면 pH 5에서 pH 5.7로 바뀌게 됩니다. 

산성 용액을 물에 희석할 경우 pH 지수를 구하는 방법을 정리하면 다음과 같습니다.

위의 복잡한 계산 말고 아주 간단히 계산하는 방법도 있습니다.

pH 지수는 로그스케일 방식이라 pH 1의 차이가 실제로는 10배의 차이입니다. 

염기성 용액을 10배 희석했다면 원액의 pH 지수에서 1을 빼주시면 되고, 100배를 희석했다면 2를 빼시면 됩니다.

물을 4배 희석했다면 log(4)가 되는데 약 0.6입니다. 마찬가지로 원액의 pH 지수에서 0.6을 빼면 됩니다.

산성 용액에서는 10배 희석했다면 원액의 pH지수에서 1을 더해주시면 되고, 4배 희석했다면 0.6을 더해주시면 됩니다.  이렇게 간단하게 계산될 수 있는 이유는 희석액이 물이기 때문에 가능한 것이고, 물이 아닌 산성이나 염기성 용액으로 희석할 경우에는 적용되지 않는 방법입니다.

요즘 세상에 이런걸 직접 다 계산할 필요는 없겠지요?

원액의 pH 지수와 희석비만 입력하면 pH가 자동계산되는 엑셀을 만들어봤습니다.

필요하신 분은 다운받으세요. ^^  

ph변화표.xlsx

감사합니다.