16.2
완충 용액
상당한 양의 약한 짝산-염기 쌍을 포함하는 용액을 완충 용액 또는 완충 용액이라고 합니다. 완충 용액은 소량의 강산이나 강염기가 추가될 때 pH 변화에 저항합니다. 아세트산과 아세트산 나트륨의 용액은 약산과 그 염인 CH_3COOH(aq) + CH_3COONa(aq)로…
용액에 소량의 산이나 염기를 첨가하면 pH가 크게 감소하거나 증가할 수 있습니다. 하지만 많은 화학적 및 생화학적 과정들은 기능을 하기 위해 안정적인 pH가 필요합니다. 완충제는 완충 용량이 초과되지 않을 때 용액의 pH의 극적인 변화를 방지합니다.
완충제에는 약산과 그 짝염기 또는 약염기 및 그 짝산이 포함되어 있습니다. 예를 들어 인간의 혈액은 약산인 탄산과 그것의 짝염기인 중탄산 이온으로 구성된 완충제를 통해 pH를 약 7.4로 유지합니다. 짝 산-염기쌍은 짝산 또는 염기를 중화시키지 않기 때문에 완충제로 됩니다.
예를 들어 아세트산과 아세테이트는 반응할 수 없습니다. 하지만 약산인 아세트산과 약염기인 암모니아를 함께 첨가하면 반응하여 염인 아세트산 암모늄을 생성합니다. 완충제에서 약산은 생성된 수산화 이온과 반응함으로써 추가된 염기를 중화시키지만 그것의 짝염기는 하이드로늄 이온과 반응함으로써 추가된 산을 중화시킵니다.
약염기와 그것의 짝산의 경우에 유사한 메커니즘이 작동합니다. 두 비커 X와 Y에는 각각 pH가 7.2인 동일한 양의 서로 다른 용액이 들어 있습니다. 비커 X의 용액은 완충되지 않습니다.
대조적으로 비커 Y의 용액에는 아세트산 아세테이트 완충제가 포함되어 있습니다. 비커 X에 염산을 첨가하면 하이드로늄 이온의 농도가 높아져 용액의 pH가 갑자기 떨어집니다. 대조적으로 비커 Y의 용액은 염산을 첨가했을 때 거의 일정한 pH를 보입니다.
왜냐하면 완충 성분 중 하나인 아세테이트가 염산과 반응하여 염화 이온과 아세트산을 생성하기 때문입니다. 마찬가지로 비커 X에 수산화나트륨을 첨가하면 수산화 이온의 농도가 증가하여 용액의 pH가 갑자기 증가합니다. 반면 비커 Y의 용액은 수산화나트륨이 첨가되었을 때 완충 성분 중 하나인 아세트산이 수산화나트륨과 반응하여 아세트산나트륨과 물 분자를 생성하므로 pH의 변화가 미미합니다.
이 완충제는 용액 내 짝 산-염기쌍의 농도가 첨가된 강산 또는 염기보다 높은 한 용액 pH의 급격한 변화를 방지할 수 있습니다.
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Q1: What is a buffer solution and why is it important?
A buffer solution contains a weak acid and its conjugate base, or a weak base and its conjugate acid. Buffers resist pH changes when small amounts of strong acid or base are added, which is critical for chemical and biochemical processes. For example, human blood maintains pH near 7.4 using a carbonic acid-bicarbonate buffer system.
Q2: How does a buffer prevent drastic pH changes?
When acid is added, the conjugate base component neutralizes hydronium ions. When base is added, the weak acid component neutralizes hydroxide ions. This conversion of strong acids and bases into weak conjugate pairs causes minimal pH change. The buffer works as long as the conjugate acid-base pair concentration exceeds the added strong acid or base.
Q3: Why don't conjugate acid-base pairs neutralize each other?
Conjugate acid-base pairs, such as acetic acid and acetate, do not react with each other because they are in equilibrium. However, when a weak acid like acetic acid is mixed with a weak base like ammonia, they will react to form a salt. This distinction is fundamental to buffer formation and stability.
Q4: What happens when you add strong acid to a buffered versus unbuffered solution?
In an unbuffered solution, adding strong acid causes a sharp pH drop due to increased hydronium ion concentration. In a buffered solution, the acetate component reacts with the added acid, producing acetic acid and chloride ions, resulting in minimal pH change. This demonstrates the protective effect of buffers.
Q5: What are common examples of buffer solutions?
Common buffers include acetic acid with sodium acetate, and ammonia with ammonium chloride. The acetic acid-acetate buffer consists of a weak acid and its salt, while the ammonia-ammonium chloride buffer consists of a weak base and its salt. Both effectively resist pH changes in their respective pH ranges.
Q6: What limits a buffer's ability to resist pH change?
A buffer can prevent drastic pH changes only when the concentration of the conjugate acid-base pair is higher than the concentration of added strong acid or base. Once this buffering capacity is exceeded, the buffer loses its protective effect and pH changes become significant.
Q7: How does adding strong base to a buffer solution work?
When strong base like sodium hydroxide is added to a buffer, the weak acid component reacts with it, producing sodium acetate and water. This reaction shifts the acid ionization equilibrium to the right, restoring hydronium ion concentration and maintaining relatively stable pH despite the base addition.