일반화학 완충용액 개념 질문 있습니다
완충용액 공부하면서 이해가 안 가는 부분들 질문 있습니다.
질문1
산과 짝염기의 몰수가 같으면 왜 pH=pKa인지 궁금합니다.
질문2
완충 용액에 산을 첨가하면 pH가 감소하고, 염기를 첨가하면 pH가 증가하는 이유가 궁금합니다.
완충 용액에 산을 첨가하면 완충 용액에 H+가 증가하니까 pH는 증가해야 하는 거 아닌가요?
질문3
완충 용액의 pH는 부피가 변해도 바뀌지 않는 이유가 궁금합니다. pH는 용액 내 H+의 농도인데, H+를 증가시켜주는 물질을 넣어준다면 완충용액의 부피도 증가하고 용액 내 H+도 증가하니 pH도 증가하는 거 아닌가요?
안녕하세요.
질문 1 : 산과 짝염기의 몰수가 같으면 왜 pH = pKa 인가?
완충용액에서 산(HA)과 그 짝염기(A⁻)의 몰 수가 같을 때, pH는 pKa와 같아집니다. 이는 헨더슨-핫셀발흐 방정식(Henderson-Hasselbalch equation)에 근거합니다. 이 방정식은 pH를 이렇게 계산합니다 :
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
여기서 [A⁻]는 염기의 농도이고 [HA]는 산의 농도를 나타냅니다. 몰 수가 동일하면 [A⁻]/[HA]의 비율이 1이 되고, 로그(1)은 0입니다. 따라서 pH = pKa가 됩니다. 이는 용액이 산과 염기의 효과를 균형 있게 받아들일 수 있는 최적의 상태임을 나타냅니다.
질문 2 : 완충 용액에 산이나 염기를 추가했을 때 pH 변화
완충 용액에 산을 추가하면, 추가된 H⁺ 이온이 용액 속의 염기(A⁻)와 반응하여 HA를 형성하고, 이 과정에서 H⁺의 농도가 감소하여 pH가 내려갑니다. 반면, 염기를 추가하면, 염기가 H⁺ 이온을 소모하여 A⁻를 형성하고, 결과적으로 H⁺의 농도가 줄어들어 pH가 상승합니다.
완충욕액의 기본적인 역할을 pH를 안정적으로 유지하는 것이므로, H⁺의 추가나 제거에 반응하여 pH 변화를 최소화합니다.
질문 3 : 완충 용액의 pH가 부피 변화에 덜 민감한 이유
완충 용액의 pH는 부피가 변하더라도 대체적으로 안정적입니다. 이는 완충 용액이 산(HA)과 그 짝염기(A⁻)의 균형을 유지하기 때문입니다. 부피가 증가하더라도, 산과 염기의 비율이 유지되면, pH는 크게 변하지 않습니다. 완충 용액은 H⁺ 이온 또는 OH⁻ 이온의 추가에 따른 pH의 변화를 억제하도록 설계되었기 때문에, 적정량의 산 또는 염기가 추가되어도 전체 시스템의 pH가 유지될 수 있습니다.
이러한 완충 용액의 성질은 생화학 실험 및 생리적 환경에서 매우 중요하며, 세포 내외 환경의 pH를 안정적으료 유지하는데 역할을 합니다.
완충용액의 pH 계산을 이해하기 위해서는 'Chemistry: The Central Science' (Brown, LeMay et al.)와 같은 교과서를 참고하시면 좋을 것 같습니다.