안녕하세요, 다시봐도신나는집토끼님.
이중철 전문가입니다.
먼저, 파모큐정과 같은 정제 제산제를 염산에 넣었을 때 pH가 기대만큼 오르지 않은 현상은 실험의 실패라기보다는, 정제의 제형적 특성과 산-염기 반응의 정량적 관계를 아주 잘 보여주는 의미 있는 과학적 결과랍니다.
액상인 윌로겔과 달리 알약 형태는 물에 잘 녹지 않는 부형제와 느린 용해 속도를 가지며, 투입한 알약의 중화 용량보다 염산의 양이 더 많으면 남은 산 때문에 용액은 여전히 강산 영역에 머무르기 때문인데요. 질문해주신 의문점들을 화학적 원리와 함께 차근차근 짚어 드릴게요.
■ 알약 투입 후 pH가 오르지 않고 오히려 낮게 나온 이유
첫째는 pH의 로그 스케일 특성과 반응 몰수 때문입니다. pH는 수소 이온 농도의 음의 로그값(-log[H+])으로 정의됩니다.
실험에서 준비한 염산 100 mL가 0.1 M 농도였다면 수소 이온은 약 0.01 몰이 존재합니다. 그런데 알약 1정에 들어 있는 제산 성분이 중화할 수 있는 양을 초과하여 염산이 남아 있었다면, 염산이 80~90% 중화되었더라도 남은 수소 이온으로 인해 pH는 여전히 1~2 부근에 머물게 됩니다. pH가 5 이상으로 올라가려면 용액 속 수소 이온의 99.99% 이상이 완벽하게 중화되어야 하거든요.
둘째는 pH 측정 센서의 오차와 기체 발생입니다.
pH가 1.7에서 1.1로 더 떨어진 것은 실제 산도가 강해졌다기보다는, 곱게 빻은 알약 가루와 부형제가 pH 전극 표면에 흡착되어 전위차 측정을 방해했거나 용액의 이온 세기 변화 때문에 발생한 측정 오차일 확률이 매우 높습니다. 또한 알약 속 탄산염이 염산과 반응하면서 이산화탄소 기체가 발생하는데, 이 과정에서 용액이 균일하게 섞이지 않으면 순간적으로 측정값이 흔들릴 수 있습니다.
■ 스테아르산마그네슘과 정제 부형제의 물리적 영향
질문자님께서 스스로 찾아보신 스테아르산마그네슘은 반응 지연의 핵심적인 원인이 맞습니다. 스테아르산마그네슘은 제약 공정에서 알약을 기계로 찍어낼 때 기계에 약이 달라붙지 않도록 넣는 대표적인 소수성 활택제입니다.
이 성분은 기름처럼 물을 강하게 밀어내는 성질을 띠고 있습니다. 따라서 알약을 아무리 곱게 빻더라도 입자 표면에 소수성 활택제와 결합제 성분이 코팅되어 있어, 물과 염산이 약효 성분 내부로 빠르게 침투하지 못합니다. 게다가 수산화마그네슘과 탄산칼슘 같은 주성분 자체가 원래 물에 잘 녹지 않는 난용성 고체이므로, 물에 닿자마자 이온화되는 것이 아니라 표면부터 극히 천천히 녹아 나오며 반응하므로 짧은 실험 시간 동안 pH 변화가 거의 나타나지 않은 것이지요.
■ 윌로겔(액상)과 파모큐(정제)에서 나타난 극적인 반응 차이
액상 제제인 윌로겔은 주성분이 이미 미세한 콜로이드 입자 형태로 액체 속에 고르게 분산(현탁)되어 있습니다. 액체 상태의 염산과 만나는 순간 유효 접촉 표면적이 극대화되므로, 기다릴 필요도 없이 즉각적인 중화 반응이 일어나 pH가 5.2까지 빠르게 치솟은 것입니다.
반면에, 파모큐 알약은 비록 빻아서 넣었더라도 분말 덩어리가 엉겨 붙고 물에 뜨거나 바닥에 가라앉아 염산과 접촉하는 표면적이 액상에 비해 턱없이 작았습니다. 즉, 이번 비교를 통해 약물의 성분 자체뿐만 아니라 제형(고체 알약 vs 액상 현탁액)이 화학 반응 속도에 미치는 물리적 영향이 얼마나 결정적인지를 확인할 수 있습니다.
■ 첫 번째 역적정 실험과 이번 실험이 가지는 탐구 가치
처음에 수행하셨던 알약과 염산에 수산화나트륨을 떨어뜨려 핑크색을 확인한 과정은 화학에서 실제로 널리 쓰이는 역적정(Back Titration) 기법입니다. 수산화마그네슘처럼 물에 녹지 않는 물질은 뷰렛으로 직접 중화하기 어려우므로, 강산인 염산을 기준량보다 넉넉하게 넣어 완전히 녹여 반응시킨 후, 미처 반응하지 못하고 남은 염산의 양을 수산화나트륨으로 적정해 역으로 제산제의 능력을 알아내는 과학적인 분석법입니다.
따라서 이번 탐구를 통해 보고서에 담을 수 있는 핵심 결론은 두 가지입니다.
첫째, 약물의 형태에 따른 표면적 차이가 체내 위산 중화 속도에 직접적인 차이를 유발한다는 점입니다.
둘째, 정제에 포함된 스테아르산마그네슘과 같은 소수성 부형제가 고체-액체 간 반응 속도를 늦추는 화학적, 물리적 장벽 역할을 한다는 점을 실험적으로 증명해 낸 것입니다.
정리하자면,
파모큐정의 pH가 올라가지 않은 원인은 알약 속 스테아르산마그네슘의 소수성과 정제 특유의 느린 용해 속도로 인해 반응 속도가 지체되었고, 남은 염산의 몰수가 강산 영역을 유지시켰기 때문이에요. 반면에, 액상인 윌로겔은 넓은 접촉 표면적으로 즉각적인 중화 반응을 일으켰으므로, 이 실험은 제형에 따른 약효 발현 속도론과 고체 부형제가 반응에 미치는 영향을 훌륭하게 증명한 성공적인 탐구랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉