안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
완충 용액은 외부에서 강산이나 강염기가 가해지더라도 수소 이온 농도의 급격한 변화를 막아 pH를 일정하게 유지하는 용액입니다. 이러한 특성이 나타나는 이유는 완충 용액 안에 약산과 그 짝염기가 대등한 비율로 공존하고 있기 때문입니다. 외부에서 산인 수소 이온이 들어오면 용액 속의 짝염기가 이를 받아들여 약산으로 변하고, 반대로 염기인 수산화 이온이 들어오면 약산이 수소를 내주며 짝염기와 물로 바뀌는 반응이 일어납니다. 결국 가해진 산과 염기가 완충 물질과 먼저 반응하여 소모되므로 용액 내부의 자유 수소 이온 농도는 거의 유지됩니다.
완충 용액의 pH는 온도와 이온 세기 등 주변 환경 요인에도 영향을 받습니다. 산 해리 반응은 열을 흡수하거나 방출하는 화학 반응이므로 온도가 변하면 pKa 값 자체가 변하게 됩니다. 예를 들어 바이오 실험에서 자주 쓰이는 Tris 완충액은 온도가 1°C 상승할 때마다 pH가 약 0.028씩 감소할 정도로 온도 민감도가 매우 높습니다. 또한 용액의 총 이온 농도를 의미하는 이온 세기가 높아지면 이온 간 정전기적 상호작용으로 인해 물질의 실효 농도인 활동도가 줄어들게 됩니다. 이로 인해 실효 pKa가 이동하므로 완충 용액을 고농도로 제조한 뒤 희석하거나 염을 추가할 때 pH가 미세하게 달라질 수 있습니다.
우리 몸의 혈액 역시 완충 작용을 통해 pH 7.35~7.45라는 정교한 범위를 유지합니다. 대사 작용으로 체내에 산이 늘어나면 호흡을 가빠지게 하여 폐를 통해 이산화탄소를 빠르게 배출함으로써 수소 이온을 소모시키고, 신장에서는 탄산수소 이온의 재흡수나 수소 이온의 배설을 조절하여 장기적인 생체 pH 균형을 맞춥니다. 여기에 혈장 단백질, 헤모글로빈, 세포 내 인산 완충계가 보조적으로 작용하여 체액의 안정을 유지합니다.