노르말 농도

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1. 개요
2. 정의
- 2.1. 당량
3. 용도
- 3.1. 화학
- 3.2. 의학
4. 노르말 농도의 문제점 및 한계
5. 예시
6. 팩터 (보정 값)
참조

1. 개요

노르말 농도는 용액 1리터에 녹아있는 용질의 당량 수를 나타내는 농도 단위이다. 산, 염기, 산화 환원, 침전 반응 등 화학 반응 종류에 따라 당량의 정의가 달라지며, 특정 이온의 농도를 나타내는 데 사용된다. 그러나 반응 조건에 따라 당량 계수가 달라지고, IUPAC 등에서 사용을 권장하지 않는다. 노르말 농도는 용량 분석에서 시약의 농도를 나타내는 데 사용되기도 하며, 의학 분야에서도 혈청 농도를 나타내는 데 사용되기도 한다.

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노르말 농도
정의
정의	용질의 당량 수를 용액의 리터수로 나눈 값이다.
다른 이름	규정 농도 당량 농도 equivalent concentration (영어)
기호	N
측정 단위	eq/L (equivalent per liter, 리터당 당량)
관련 항목	몰 농도 (M) 질량 백분율 (%) 몰랄 농도 (m) 몰 분율 (χ)
수식	N = cᵢ / f_eq
수식 설명	N: 노르말 농도 cᵢ: 몰 농도 f_eq: 당량 계수
설명
설명	노르말 농도(N)는 용액 1리터(L)당 용질의 당량(equivalent) 수를 나타내는 농도 척도이다. 당량 농도라고도 한다.
용도	특히 산-염기 반응에서 유용하게 사용된다.
당량 계수 (f_eq)	용질 1몰이 생성하는 반응성 단위의 수이다.
예시	황산(H₂SO₄)의 경우, 1몰이 2몰의 H⁺ 이온을 제공하므로 당량 계수는 2이다. 따라서 1 M H₂SO₄ 용액은 2 N H₂SO₄ 용액과 같다.
주의 사항
주의 사항	노르말 농도는 용질의 화학 반응에 따라 달라지므로, 특정 반응에 대해서만 의미가 있다.

2. 정의

노르말 농도는 용액 1L 속에 녹아있는 용질의 그램 당량수로 나타내는 농도이다. 1 노르말(1 N)은 용액 1L에 용질 1그램 당량이 포함된 농도를 의미한다. 'normal'을 독일어식으로 읽어 '노르말'이라고도 부르지만, 이는 ''n''-헥산(노르말헥산) 등과 혼동될 수 있어 권장하지 않는다.

노르말 농도는 다음 식으로 정의된다.

: $N = \frac{m_{\rm sol}}{EW_{\rm sol} \times V_{\rm soln}}$

여기서 $N$ 은 노르말 농도, $m_{\rm sol}$ 은 그램 단위의 용질의 질량, $EW_{\rm sol}$ 는 용질의 당량, $V_{\rm sol}$ 는 리터 단위의 전체 용액의 부피이다.

노르말 농도는 당량 농도이므로, 반드시 몰 농도와 일치하지는 않는다.

2. 1. 당량

1 노르말은 용액 1 리터당 용질이 1 당량이 있다는 것이다. 당량의 정의는 화학 반응의 종류에 따라 다양하며, 산, 염기, 산염기 분자, 침전 예정인 이온 등을 의미할 수 있다.

노르말농도는 전체 용질 중 특정 이온만을 측정한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 수산화나트륨 수용액에서 나트륨 또는 수산화물의 노르말농도는 결정할 수 있지만, 수산화나트륨 자체의 노르말농도를 의미하지는 않는다. 그럼에도 불구하고 산이나 염기 용액을 설명할 때 자주 사용되는데, 이 경우에는 노르말농도가 H+ 또는 OH− 이온을 가리킨다고 해석된다.

노르말 농도를 정확하게 구하려면 당량(equivalence factors)을 정확하게 구해야 하는데, 이 값은 반응 환경에 따라 다르게 산출된다.

예시:

0.1 N KIO3 ; feq(KIO3) = 1/6
0.05 N KIO3 ; feq(KIO3) = 1/4

위와 같이 계산되는 모호성 때문에 국제 순수·응용 화학 연합과 NICS는 더 이상 노르말 농도의 사용을 권장하지 않는다.^[1]

노르말 농도는 1리터의 용액에 존재하는 용질의 그램 또는 몰 당량의 수로 정의된다. 노르말 농도의 SI 단위는 리터당 당량(Eq/L)이다. 용액 1L 중에 용질 1 그램 당량을 포함하는 경우의 농도는 '''1 노르말'''이며, '''1 N'''으로 표기한다. ''normal''을 독일어로 읽어 '''노르말'''이라고 부르는 경우가 있지만, ''n''-헥산 (노르말헥산) 등과 혼동될 우려가 있으므로 권장되지 않는다. 당량 농도이므로 반드시 몰 농도와 일치하지는 않는다.

용량 분석에서 노르말 농도를 이용할 때는 시약 조제 시 무게로 계산한 노르말 농도를 그대로 사용하지 않고, 사용 직전에 역적정 등을 여러 번 실시하여 실제 노르말 농도를 결정한 후 사용해야 한다. 시약 조제 시 결정한 노르말 농도와 사용 직전의 실제 노르말 농도 차이(수치비)는 '''팩터'''라고 불리며, 용량 분석의 당량 계산에 보정 값으로 사용된다. 시판되는 정량 분석 시약에는 노르말 농도와 함께 팩터도 표시되는 것이 일반적이다.

2. 1. 1. 산-염기 반응

산-염기 반응에서 노르말 농도는 용액 내 하이드로늄 이온(H₃O⁺) 또는 수산화 이온(OH⁻)의 농도를 나타내는 데 사용된다. 여기서 1/''f''_eq는 정수 값이다. 각 용질은 용해될 때 하나 이상의 당량의 반응성 종을 생성할 수 있다.^[1]

예를 들어, 2 노멀 황산(H₂SO₄)은 H⁺ 이온의 노르말농도가 2라는 것을 의미하거나, 황산의 몰 농도가 1이라는 것을 의미한다. 비슷하게 1 몰의 H₃PO₄에서 노르말농도는 3인데, 이것은 PO₄^3-의 총 몰에 대하여 세 배의 H⁺ 이온을 포함한다는 것이다.^[1]

인산은 산성 프로톤이 3개 있으므로 ''c''(H₃PO₄) = 1 mol/L일 때 규정도는 3N이다.^[1]

2. 1. 2. 산화 환원 반응

산화 환원 반응에서 당량 인자는 산화제 또는 환원제가 받아들이거나 기증할 수 있는 전자의 수를 설명한다. 여기서

\frac{1}{f_\mathrm{eq}}

는 분수(정수가 아닌) 값을 가질 수 있다.^[1]

2. 1. 3. 침전 반응

침전 반응에서 당량 인자는 주어진 반응에서 침전될 이온의 수를 측정한다. 여기서

\tfrac{1}{f_\mathrm{eq}}

는 정수 값이다.^[1]

3. 용도

노르말 농도는 용액 속 반응성 종의 농도를 측정하는 데 사용되며, 주로 다음 세 가지 영역에서 활용된다.

산-염기 화학: 용액 내 프로톤(H⁺) 또는 수산화 이온(OH^-)의 농도를 나타낸다.
산화 환원 반응: 산화제 또는 환원제가 주고받을 수 있는 전자의 수를 나타낸다.
침전 반응: 침전되는 이온의 수를 나타낸다.

용량 분석에서 노르말 농도를 사용할 때는 시약 조제 시 계산된 농도와 실제 사용 직전 농도 차이(팩터)를 고려하여 보정 값으로 사용해야 한다. 시판되는 정량 분석 시약에는 보통 노르말 농도와 팩터가 함께 표시되어 있다.

하지만 노르말 농도는 모호성 때문에 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)과 NICS에서는 더 이상 사용을 권장하지 않는다.^[1]

3. 1. 화학

노르말 농도는 전체 용질 중에 포함된 한 가지 이온만을 측정한다. 예를 들어, 수산화나트륨의 수용액에서 나트륨 혹은 수산화물의 노르말 농도를 결정할 수는 있지만, 수산화나트륨 자체의 노르말 농도를 의미하지는 않는다. 그럼에도 불구하고 산이나 염기 용액을 설명할 때 자주 사용되는데, 이 경우에는 노르말 농도가 H+ 또는 OH- 이온을 가리킨다는 것으로 해석된다.

예를 들어, 2 노르말 황산(H2SO4)은 H+ 이온의 노르말 농도가 2라는 것을 의미하거나, 황산의 몰 농도가 1이라는 것을 의미한다. 비슷하게 1몰의 H3PO4에서 노르말 농도는 3인데, 이것은 PO43-의 총 몰에 대하여 세 배의 H+ 이온을 포함한다는 것이다.

노르말 농도는 다음 세 가지 유형의 화학 반응에서 사용된다.

산-염기 반응에서 노르말 농도는 용액 내 하이드로늄 이온(H₃O⁺) 또는 수산화 이온(OH⁻)의 농도를 나타낸다. 여기서 1/f_eq는 정수 값이다. 각 용질은 용해될 때 하나 이상의 당량의 반응성 종을 생성할 수 있다.
산화 환원 반응에서 당량 인자는 산화제 또는 환원제가 받아들이거나 기증할 수 있는 전자의 수를 설명한다. 여기서 1/f_eq는 분수(정수가 아닌) 값을 가질 수 있다.
침전 반응에서 당량 인자는 주어진 반응에서 침전될 이온의 수를 측정한다. 여기서 1/f_eq는 정수 값이다.

이온 용액의 노르말 농도는 또한 당량 전도도를 사용하여 전도도(전해질)와 관련이 있다.

국제 순수·응용 화학 연합과 NICS는 노르말 농도의 모호성 때문에 더 이상의 사용을 권장하지 않는다.^[1]

3. 2. 의학

의학계에서 선호도가 떨어지고 있지만, 혈청 농도를 "eq/L" (1 N) 또는 "meq/L" (0.001 N) 단위로 보고하는 경우가 여전히 존재한다.

4. 노르말 농도의 문제점 및 한계

노르말 농도는 특정 이온만을 측정한다는 점이 중요하다. 예를 들어, 수산화나트륨 수용액에서 나트륨이나 수산화물의 노르말 농도는 결정할 수 있지만, 수산화나트륨 자체의 노르말 농도를 의미하지는 않는다. 산이나 염기 용액을 설명할 때 자주 사용되는데, 이 경우 노르말 농도는 H+ 또는 OH− 이온을 가리킨다. 예를 들어, 2 노르말 황산(H2SO4)은 H+ 이온의 노르말 농도가 2라는 것을 의미하거나, 황산의 몰 농도가 1이라는 것을 의미한다. 비슷하게 1 몰의 H3PO4에서 노르말 농도는 3인데, 이것은 PO43- 의 총 몰에 대하여 세 배의 H+ 이온을 포함한다는 것이다.^[1]^[2]

노르말 농도를 정확하게 구하기 위해서는 당량 (equivalence factors)를 정확하게 구해야 하는데, 이 값은 반응 환경에 따라 각기 다르게 산출된다.

:0.1 N KIO3 ; feq(KIO3) = 1/6

:0.05 N KIO3 ; feq(KIO3) = 1/4

위와 같이 계산되는 모호성 때문에 국제 순수·응용 화학 연합과 NICS는 더이상의 노르말 농도의 사용을 권장하지 않는다.^[1]^[2]

용액의 노르말 농도는 특정 반응에 대한 당량 인자에 따라 달라지며, 이는 두 가지 모호성의 원인을 제시한다. 즉, 당량인자는 반응의 선택뿐만 아니라 논의되는 반응의 어떤 화학종(예: 산/염기 종, 산화 환원 종, 침전염, 교환된 동위 원소 등)에 따라 달라진다. 즉, 동일한 용액이라도 다른 반응 또는 잠재적으로 다른 맥락의 동일한 반응에 대해 다른 노르말 농도를 가질 수 있다.

모호성을 피하기 위해 IUPAC^[1]와 NIST^[2]는 "노르말 농도" 및 "노르말 용액"이라는 용어의 사용을 권장하지 않는다.

5. 예시

노르말 농도는 특정 이온만을 측정한다는 점을 주의해야 한다. 예를 들어 수산화나트륨 수용액에서 나트륨이나 수산화물의 노르말 농도는 결정할 수 있지만, 수산화나트륨 자체의 노르말 농도를 의미하지는 않는다. 산이나 염기 용액을 설명할 때 자주 사용되며, 이 경우 노르말 농도는 H+ 또는 OH− 이온을 가리킨다. 예를 들어 2 노르말 황산(H2SO4)은 H+ 이온의 노르말 농도가 2라는 것을 의미하거나, 황산의 몰 농도가 1이라는 것을 의미한다. 비슷하게 1몰의 H3PO4에서 노르말 농도는 3인데, 이것은 PO43-의 총 몰에 대하여 세 배의 H+ 이온을 포함한다는 것이다.

국제 순수·응용 화학 연합과 NICS는 노르말 농도의 모호성 때문에 더 이상의 사용을 권장하지 않는다.

노르말 농도는 산-염기 적정에 사용될 수 있다. 예를 들어 황산(H₂SO₄)은 이양성자산이다. 1 mol의 OH⁻를 중화하는 데 0.5 mol의 H₂SO₄만 필요하므로, 당량 인자는 다음과 같다.

:''f''_eq(H₂SO₄) = 0.5

황산 용액의 농도가 ''c''(H₂SO₄) = 1 mol/L이면, 노르말 농도는 2 N이다. 이를 "2 노르말" 용액이라고도 할 수 있다.

마찬가지로, ''c''(H₃PO₄) = 1 mol/L인 용액의 경우, 인산은 3개의 산성 H 원자를 포함하므로 노르말 농도는 3 N이다.

6. 팩터 (보정 값)

용량 분석에서 노르말 농도를 이용하는 경우, 시약 조제 시 무게로부터 산출한 노르말 농도를 그대로 이용하는 것이 아니라, 이용 직전에 역적정 등을 여러 번 실시하여 진정한 노르말 농도를 결정한 후 이용할 필요가 있다. 시약 조제 시 결정한 노르말 농도와 이용 직전의 진정한 노르말 농도 차이(수치비)는 '''팩터'''라고 불리며, 용량 분석의 당량 계산에 보정 값으로 도입한다. 또한 시판되는 정량 분석 시약에는 노르말 농도와 함께 팩터도 표시되는 것이 보통이다.

참조

_[1] 간행물 OrangeBook3rd https://old.iupac.or[...] 2009-05-10
_[2] 웹사이트 SI Unit rules and style conventions checklist https://physics.nist[...] National Institute of Standards and Technology 2024-10-08
_[3] 웹사이트 Normality {{!}} Definition, Formula, Equations, Type, Example https://clavick.com/[...] 2023-01-29
_[4] 법령 計量法附則第三条の計量単位等を定める政令 https://laws.e-gov.g[...]

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