완충액은 강산 또는 염기의 첨가에 관계없이 시스템에서 일정한 pH를 유지하기 위해 작동하는 용액입니다. 완충액이 없는 경우 용액에 강산 또는 염기를 추가하면 pH가 크게 변합니다. 완충 장치는 일상 생활에서 매우 중요합니다. 예를 들어, pH가 7.8 이상 또는 6.8 미만이면 사망에 이를 수 있으므로 혈액은 완충제 역할을 하며 pH를 7.35에서 7.45 사이로 유지할 수 있습니다.
그렇다면 버퍼는 어떻게 작동할까요? 완충액은 본질적으로 약산 또는 염기이며 서로 평형을 이루는 공액 염기 또는 산입니다. 예를 들어, 아세트산과 아세트산나트륨으로 만들어진 완충액을 생각해 보십시오. 완충 용액에는 약산과 그 공액 염이 포함되어 있으며, 이는 해리되어 공액 염기 아세테이트를 형성합니다. 용액은 아세트산의 Ka가 공액 염기의 Kb보다 높기 때문에 산성입니다.
해리 상수 Ka 또는 Kb는 물에서 화합물의 해리에 대한 평형 상수이기 때문에 각각 산 또는 염기의 강도를 정의한다는 것을 기억하십시오. 해리 상수는 pKa 또는 Ka의 음의 로그로 나타낼 수도 있으며, 여기서 pKa가 작을수록 산이 더 강합니다. pKb의 경우에도 마찬가지이며, pKb가 작을수록 밑이 강합니다.
아세테이트 완충액으로 돌아가서 수산화나트륨과 같은 강염기를 첨가하면 수산화물 이온이 용액에 존재하는 히드로늄 이온과 반응합니다. 이것은 평형 상태로 돌아가기 위해 더 많은 아세트산이 물과 반응하게 하여 더 많은 히드로늄 이온을 형성합니다. 염산과 같은 강산을 첨가하면 용액에 더 많은 히드로늄 이온이 형성됩니다. 이러한 이온은 아세테이트 이온과 반응하여 더 많은 아세트산을 형성합니다. 두 경우 모두 용액 pH의 변화는 거의 없습니다.
각 버퍼에는 용액을 버퍼링할 수 있는 특정 pH 범위가 있다는 점을 명심하십시오. 여기에서는 아세트산 완충액에 대한 적정 곡선을 보여줍니다. 버퍼링 범위가 강조 표시됩니다. 이 영역은 Henderson-Hasselbalch 방정식에 의해 결정되며, 이는 완충액의 pH가 약산의 Ka와 약산에 대한 공액 염기의 비율에 의해 결정된다는 것을 알려줍니다.
이 pH에서 멀리 떨어져 있으면 완충액의 약산 또는 염기가 고갈되어 pH를 완충할 수 없습니다. 따라서 응용 분야에 대한 버퍼를 선택할 때 pKa가 원하는 pH에 가까운 버퍼를 선택하십시오.
마지막으로, 모든 완충액은 완충 용량에 제한이 있으며, 이는 pH가 크게 변하기 전에 완충 용액에 추가할 수 있는 산 또는 염기의 양을 의미합니다. 예를 들어, 아세트산과 아세트산나트륨 완충 용액에 산을 너무 많이 첨가하면 모든 아세테이트 이온을 양성자화하고 많은 히드로늄 이온을 축적하여 pH를 낮춥니다.
마찬가지로, 염기를 너무 많이 추가하면 모든 아세트산을 탈양성자화하고 많은 수산화물 이온을 축적하여 pH를 증가시킵니다. 따라서, 완충 능력은 약산 및 공액 염의 농도에 의해 영향을받습니다. 따라서 1몰 아세테이트 완충액은 0.1몰 아세테이트 완충액보다 완충 용량이 더 높습니다.
이 실험실에서는 다양한 pH 범위의 완충액을 준비하고 검사합니다. 그런 다음 완충액을 사용하여 중성 적색이라고 하는 pH 지시약의 pKa를 측정하고 리보플라빈 결합 단백질이 도입될 때 중성 적색의 pKa의 변화를 탐색합니다.
At the end of this lab, students should know...
완충액은 첨가된 산 또는 염기의 양이 용액의 완충 용량 내에 있는 한 강산 또는 강염기의 첨가에 관계없이 일정한 pH를 유지하는 용액입니다.
완충액은 약한 산 또는 약한 염기의 공액 산 또는 염기 쌍을 포함해야 합니다.
일반적인 이온 효과는 주어진 이온이 이미 주어진 이온을 포함하는 평형 상태의 혼합물에 추가되는 경우입니다. 이것은 평형이 더 많은 이온을 형성하는 것에서 멀어지게 합니다.
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