수산화나트륨 및 수산화칼륨 용액의 pH 계산

수산화나트륨(NaOH) 및 수산화칼륨(KOH)의 pH계산. pH는 용액 내 수소 이온의 몰 농도의 음의 로그값이다.

• 용액의 기준은 1리터
• 몰 농도는 (중량(g)/분자량) * (1L/용액총량)
• pOH 값은 -log(몰농도)
• pH는 14 - pOH

그러나 용액의 기준이 ml라고 부피 단위로 되어있던데 보통 물을 용매로 사용해서 중량을 생략하는 것인가 아니면 중량과 무관하게 부피로만 따지는 것인가?

부피는 온도에 따라 변화가 심하니 여기서는 중량을 기준으로 삼겠다.

 

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수산화나트륨 및 수산화칼륨(이하 수산화나트륨)을 다룰 때 주의할 점은 수산화나트륨에 물을 부으면 절대로 안되고 반드시 물에 수산화나트륨을 넣어야 한다. 그렇지 않으면 폭발적으로 반응하는데 고열을 내면서 사방으로 튀어서 아주 위험하다.^[각주:1]

염기성 물질은 단백질을 녹이는데 손 정도라면 수산화나트륨이 한두방울 튀어도 큰 문제는 없겠지만^[각주:2] 눈의 경우 매우 위험하며, 진한 수산화나트륨 수용액이 미세한 입자로 날리면 기도 및 폐로 들어가서 신체 내부의 조직을 손상시킨다.

가볍게는 기침이 나는 수준이지만 심각하며 되돌릴 수 없는 손상이 발생할 수 있는데 폐나 기도 같은 부분은 한번 수산화나트륨 용액(증기)이 들어갔을 때 씻어 낼 방법이 없어서 위험하며, 안구의 경우 매우 정밀하고 민감한 기관이면서도 밖으로 드러나있기 때문에 운이 나쁘다면 영구적인 장애를 입고 평생을 고통속에서 살아가야 할 수도 있다.

거기에 수산화칼륨은 부식성 이외에도 독성을 가지고 있어서 먹으면 죽는다. (rat, 경구 투여 시 LD₅₀: 273mg/kg)

그러니 눈과 기관지 등을 보호하기 위해서 환기를 확실하게 하면서 동시에 마스크와 보안경을 사용해야 하고 보호용 장갑도 착용해야 한다.^[각주:3]

보호 장비를 착용하지 않으려면 하다못해 작업 장소를 확실하게 정리하여 그릇 등이 넘어지지 않게 주의하고, 환기도 확실히 하면서 이상이 느껴지면 바로 병원에서 검진을 받도록 항상 마음 속으로 되뇌이고 있어야 한다.

그리고 알루미늄에 대한 강한 부식성을 가지고 있으므로 알루미늄에 닿게 하면 안된다. 만약 진한 수산화나트륨 용액이 알루늄 용기에 담겨있가면 곧 녹아서 구멍이 뚫려버릴 것이다. 이것도 결국 큰 사고로 이어질 수 있으므로 주의가 필요.

산화알루미늄으로 덮힌, 즉 아노다이징 된 제품도 안된다. 표면 피막이 순식간에 녹아버리고 알루미늄 본체가 부식 되기 시작하므로 알루미늄은 생각도 하지 말고 스테인리스처럼 반응이 거의 없는 재질을 사용할 것 .

 

NaOH, KOH 데이터

데이터

화학식	몰질량	비중	용해도 (20℃, 물)	독성
NaOH	39.997	2.13	109g (100ml당)	40 mg/kg (마우스, 복강)
KOH	56.106	2.04	110g (100ml당)	273 mg/kg (랫, 경구)

NaOH 1% 용액의 pH 계산

물 990g, NaOH 10g의 경우.

• 중량/몰질량 = 10/40 = 0.25

몰 농도 = 0.25M

NaOH는 강염기로 물에서 완전히 용해되어 OH- 이온을 내놓으므로 0.25몰의 Na+ and OH-가 있음.

• pOH = -log [OH-] = -log(0.25) = 0.602
• pH = 14 - pOH = 14 - 0.602 = 13.398

NaOH 1% 용액의 pH값은 약 13.4

동 계산을 이용하면 각 농도별 NaOH용액의 pH 값은 아래와 같다고 할 수 있다.

• NaOH 0.1%: pH12.4 (1kg당 1g, 100g당 0.1g)
• NaOH 0.01%: pH11.4 (1kg당 0.1g, 100g당 0.01g)
• NaOH 0.001%: pH10.4 (1kg당 0.01g, 100g당 0.001g)

다르게 계산하면 (1kg(L))용액 안에서 OH- 이온 1M일 때 pH는 14가 된다는 것과 OH이온의 수가 10배 변하면 pH값이 1 변한다는 것을 이미 알고 있으니 수산화나트륨 0.1M은 pH13, 0.01M은 pH12가 된다는 것을 간단하게 알 수 있다.

 

중성에 가까운 pH 7.5를 맞추기 위한 NaOH용액 농도는?

• 14 - 7.5 = 6.5
• 10^-6.5 = 3.1622776601683793319988935444327e-7
• 몰 농도: 약 0.00000031623M.

여기에 분자량 40을 곱하면 0.0000126492.

용액 1kg 당 수산화나트륨의 중량이 0.0000126492g 이니까 중량비율은 0.0000012649%가 된다. 분수로 보면 1/79,056,383 정도가 된다.

비누 제작시 자주 쓰는 33.33%, 30%, 25%의 NaOH 용액(Lye)의 pH값은?

pH값은 14가 한계라서 그 이상의 값은 없지만 굳이 계산 해 보면 다음과 같을 것이다. 이 때 수용액 총 중량은 1kg을 기준으로 계산하고 NaOH의 순도는 100%로 가정한다. 실제 판매되는 NaOH가 98%까지 있으니 100%라고 가정해도 별로 차이가 없을 것이다.

• 몰량 = 물 666.6g : NaOH 333.3g = 333.3/40 = 8.3325mol
• pOH = -log [OH-] = -log(8.3325) = -0.921
• pH = 14 - pOH = 14 - (-0.921) = 14.921

33.33% 농도의 NaOH용액은 pH14.921이라고 할 수 있겠고, 같은 계산을 통해 30%는 대략적으로 pH 14.875, 25%는 pH14.769라고 할 수 있을 것이다. 40%가 되어야 겨우 pH15 수준에 도달한다.

그럼 1mol은 몇%? NaOH 1mol은 40g이므로 40/1000 = 0.04 = 4%의 NaOH 농도며 pH값은 14다.

이 계산 결과를 보면 일부 제품, 인체에 위험하지 않다고 하는 무슨무슨 유화수 어쩌고 하는 용액으로는 비누를 제대로 만들 수 없을거라고 쉽게 예상할 수 있다.

잘 생각해 보자.

pH 14의 강력한 염기 용액의 NaOH 농도가 4% 밖에 안된다.

그런데 비누를 만들 때 사용하는 NaOH용액의 농도는 보통 30% 근처고 낮게 잡으면 25% 정도다. 98%순도의 NaOH를 25%의 Lye로 만들어서 썼을 때 (오일 대비) 수분 비율이 약 40%, Lye 농도를 20%로 하면 수분 비율은 54% 정도로 수분이 과한 상태다.

Lye 농도 4%, pH14일 때는? 325.9%

결론적으로 어떤 염기 용액을 써서 비누가 잘 만들어진다면 인체에 화상 ~ 영구적인 장애를 남기거나 경우에 따라 사람을 죽일 수도 있는 초강력 염기 용액인 것이고, 인체에 무해하고 안전하면 아예 비누를 만들 수 없는 수준의 엉망인 제품이라고 할 수 있겠다.

비누는 잘 만들어지는데 인체에는 무해하다? 과연 그런 물건이 있을까? 정말로 순하고 안전하다면 그 용액에 맨손을 넣을 수도 있겠지? 완벽하게 안전하다면 입에 넣어도 문제 없을 거야. 그렇지?

 

KOH 1% 용액의 pH 계산

물 990g, KOH 10g의 경우.

• 중량/몰질량 = 10/56.1 = 0.178

몰 농도 = 0.178M

KOH는 강염기로 물에서 완전히 용해되어 OH- 이온을 내놓으므로 0.178몰의 K+ and OH-가 있음.

• pOH = -log [OH-] = -log(0.178) = 0.75
• pH = 14 - pOH = 14 - 0.75 = 13.25

KOH 1% 용액의 pH값은 약 13.25

그렇다면 다른 비율의 KOH 용액의 pH값은 아래와 같다고 볼 수 있을 것이다.

• KOH 0.1%: pH12.25 (1kg당 1g, 100g당 0.1g)
• KOH 0.01%: pH11.25 (1kg당 0.1g, 100g당 0.01g)
• KOH 0.001%: pH10.25 (1kg당 0.01g, 100g당 0.001g)

 

1. 물에 수산화나트륨을 넣을 때도 가능하면 조금씩 나눠서 넣는것이 좋다. 수산화나트륨이 물에 녹을 때 열이 굉장히 많이 나기 때문이다. [본문으로]
2. 말 그대로 아주 소량의 경우에만. 만약 수산화나트륨이 피부에 묻었다면 가루의 경우 우선 가루를 털어낸 뒤, 액체의 경우 즉시 대량의 물로 충분히 씻어낸다. 씻어낸 후에도 따갑거나 간지러운 느낌이 있으면 이미 피부가 손상된 것이다. 별것 아니라고 느껴지면 그대로 놔둬도 괜찮겠지만 가능하면 병원에서 처치를 받는 것이 좋다. [본문으로]
3. 가능하면 한국 산업안전보건공단의 인증을 받은 방독마스크와 화학물질용 보안경, 안전장갑을 사용해야 하지만 그런 제품을 구하기 어렵다면 일반적인 방진마스크와 보안경, 라텍스 장갑이라도 끼는 것이 좋다. [본문으로]