버퍼

버퍼

Arrhenius acid(HA)를 물에 첨가하면 공액 염기(A^-)와 수소 양이온(H⁺)으로 해리됩니다.

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

용액에 존재하는 수소 이온의 양은 용액의 산도를 결정하며, 여기서 수소 이온이 많을수록 pH가 낮거나 산성이 더 높다는 것을 나타냅니다. 마찬가지로, 강한 Arrhenius 염기(BOH)가 물에 첨가되면 공액산(B⁺)과 수산화물 이온(OH-)으로 해리됩니다.

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

일반적으로 용액에 강산 또는 염기를 첨가하면 산 또는 염기가 용액의 물 분자와 반응하여 수소 이온 또는 수산화물 이온의 농도가 증가하기 때문에 pH가 극적으로 변합니다. 그러나 이러한 pH 변화는 완충액을 사용하여 완화할 수 있습니다. 완충액은 강산 또는 염기의 첨가에 관계없이 시스템에서 일정한 pH를 유지하기 위해 작동하는 용액입니다.

대부분의 경우, 완충액의 구성 요소는 약산 또는 약염기의 공액 산-염기 쌍입니다. 이러한 이유로 물에서 완전히 해리되는 강산 또는 염기는 매우 불량한 완충액을 만들고 부분적으로 해리되는 약산 또는 염기는 더 나은 완충액을 만듭니다. 완충액이 존재할 때, 강산 또는 염기는 용액에 존재하는 물 분자와 반응하지 않고 대신 약산/공액 염기와 반응합니다. 그 결과 용액의 pH가 거의 또는 전혀 변하지 않습니다.

일반적인 이온 효과(Common Ion Effect)

버퍼는 공통 이온 효과(common ion effect)라고 하는 현상을 통해 작동합니다. 일반적인 이온 효과는 주어진 이온이 이미 주어진 이온을 포함하는 평형 상태의 혼합물에 추가될 때 발생합니다. 이런 일이 발생하면 평형은 더 많은 이온을 형성하는 것에서 멀어집니다.

예를 들어, 아세트산(CH₃COOH)은 물에서 약간 해리되어 아세테이트 이온(CH₃COO^-)과 수소 이온을 형성합니다.

_{CH 3}COOH_(aq) H₂O ⇔ H⁺_(aq) + CH₃COO^-_(aq)

용해성 아세트산나트륨에서 더 많은 아세테이트 이온이 첨가되면 평형 위치가 왼쪽으로 이동하여 더 많은 비해리 아세트산을 형성하고 수소 이온의 농도가 감소합니다. 여기서 일반적인 이온인 아세테이트는 아세트산의 해리를 억제합니다.

완충액은 용액을 완충하기 위해 산성(HA) 및 염기성(A^-) 성분을 모두 고농도로 포함해야 합니다. 완충액에 첨가되는 수소 또는 수산화물 이온의 양이 적으면 소량의 한 완충액 성분이 다른 완충액으로 전환됩니다. 첨가된 이온의 농도가 완충액에 이미 존재하는 HA 및 A^-의 농도보다 훨씬 작은 한, 첨가된 이온은 완충액 성분 중 하나에 의해 소비되기 때문에 pH에 거의 영향을 미치지 않습니다. 수소 또는 수산화물의 농도가 산 및 그 접합체 염기의 농도를 초과하면 완충 효과가 손실되고 pH가 변합니다.

Henderson-Hasselbalch 방정식

약산의 해리 상수 K_a는 비해리산 HA의 농도와 수소 이온 및 공액 염기의 농도 A^-를 사용하여 계산됩니다.

K_a 값이 높을수록 더 강한 산을 나타내고 K_a 값이 작을수록 더 약한 산을 나타냅니다. 수소 이온의 농도를 결정하기 위해 방정식이 재배열됩니다. 이 형태에서는 염기종에 대한 산종의 비율이 수소 이온의 농도를 결정하고 더 나아가 pH를 결정하는 데 중요하다는 것이 분명합니다.

양쪽의 음의 공통 로그를 취하면 Henderson-Hasselbalch 방정식이 생성됩니다.

Henderson-Hasselbalch 방정식을 사용하면 수소 이온의 농도를 먼저 계산할 필요 없이 완충액 pH를 직접 계산할 수 있습니다.

예를 들어, 0.02 몰의 강염기를 첨가 한 후 1L 버퍼의 pH를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 강한 염기는 완전히 해리되므로 첨가된 수산기 이온의 농도는 0.02M입니다. 이것은 산의 농도를 0.02 감소시킵니다. 산(HA) 및 염기(A^-) 성분의 원래 농도가 각각 0.5M라고 가정하면 염기의 새로운 농도는 0.02M에서 0.52M로 증가하는 반면 산의 농도는 0.02M에서 0.48M로 감소합니다. 완충액의 산 성분의 pK_a를 알면 이러한 새로운 성분 농도를 Henderson-Hasselbalch 방정식으로 대체하여 pH를 결정할 수 있습니다.

이는 완충액 용량 또는 pH에 큰 영향을 주지 않고 완충액에 얼마나 많은 강산 또는 강염기를 추가할 수 있는지 결정하는 데 유용합니다.

버퍼 용량

완충 용량은 pH 변화에 저항하는 완충액의 능력을 측정한 것입니다. 이 능력은 완충액 성분의 농도, 즉 산과 그 공액 염기에 따라 달라집니다. 완충액 농도가 높을수록 완충액 용량이 더 큽니다. 이는 평형을 방해하고 완충액의 pH를 변경하기 위해 더 많은 양의 수소 이온 또는 더 강한 산을 첨가해야 함을 의미합니다.

완충 용량은 또한 완충 성분의 상대적 농도에 의해 영향을 받습니다. 완충액은 성분의 농도가 비슷할 때 더 효과적입니다. 완충액 성분 비율이 비슷하면 산 또는 염기가 첨가될 때 성분 농도 비율이 크게 변하지 않습니다. 비율을 상쇄하고 pH를 변경하기 위해 많은 양의 산 또는 염기를 첨가해야 합니다.

버퍼의 pH는 버퍼 용량과 다릅니다. pH 범위는 버퍼가 효과적인 범위입니다. 일반적으로 완충액은 완충액의 산 성분의 pK_a의 1 pH 단위 내에서 사용 가능한 범위를 갖습니다.

참조

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). 화학 및 화학 반응성. 캘리포니아 벨몬트 : Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). 화학: 물질과 변화의 분자적 성질. 매사추세츠주 보스턴: 맥그로 힐.