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 구성된 완충 용액의 예입니다. 약염기와 그 염으로 구성된 완충 용액의 예로는 암모니아와 염화암모늄 용액이 있습니다: NH_3(aq) + NH_4Cl(aq).

완충 용액 작동 방식

완충 용액의 기능을 설명하기 위해 대략 같은 양의 아세트산과 아세트산 나트륨의 혼합물을 생각해 보세요. 용액에 약한 짝산-염기 쌍이 존재하면 첨가된 강산이나 염기를 적당한 양으로 중화하는 능력이 부여됩니다. 예를 들어, 이 용액에 강염기를 첨가하면 하이드로늄 이온이 중화되고 아세트산 이온화 평형이 오른쪽으로 이동하여 감소된 H_3O^+ 농도가 부분적으로 회복됩니다.

마찬가지로, 이 완충 용액에 강산을 첨가하면 아세트산 이온이 중화되어 위의 이온화 평형이 오른쪽으로 이동하고 [H_3O^+]가 원래 값에 가깝게 돌아갑니다. 그림 1은 강산과 염기를 첨가할 때 완충 용액의 변화를 그래픽으로 보여줍니다. 용액의 완충 작용은 본질적으로 첨가된 강산과 염기가 완충액의 결합 쌍을 구성하는 약산과 염기로 전환된 결과입니다. 강한 산과 염기의 완전한 이온화에 비해 약한 산과 염기는 약간만 이온화됩니다. 따라서 용액 pH는 완충되지 않은 용액에서보다 훨씬 덜 급격하게 변합니다.

Figure 1. 아세트산과 아세트산염 혼합물의 완충 작용.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Section 14.6: Buffers.

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.