16.5: 완충 용액 효과

완충 용액은 pH를 상대적으로 일정하게 유지하는 데 무제한의 용량을 갖고 있지 않습니다. 대신, pH 변화에 저항하는 완충 용액의 능력은 상당한 양의 짝산-염기 쌍의 존재에 달려 있습니다. 완충 용액 쌍의 어느 구성원의 농도를 실질적으로 낮추기 위해 충분한 강산 또는 염기가 첨가되면 용액 내의 완충 작용이 손상됩니다.

완충 용량은 pH가 크게 변하기 전에 주어진 부피의 완충 용액에 첨가할 수 있는 산 또는 염기의 양(보통 1단위)입니다. 완충 용량은 완충 혼합물에 있는 약산과 그 짝염기의 양에 따라 달라집니다. 예를 들어, 1.0M의 아세트산과 1.0M의 아세트산나트륨 용액 1L는 0.10M의 아세트산과 0.10M의 아세트산나트륨 용액 1L보다 완충 용량이 더 큽니다. 동일한 pH. 첫 번째 용액은 더 많은 아세트산과 아세테이트 이온을 포함하기 때문에 더 많은 완충 용량을 갖습니다.

적합한 완충 혼합물 선택

완충 용액 혼합물을 선택하는 데에는 두 가지 유용한 경험 법칙이 있습니다.

1. 좋은 완충 용액 혼합물은 두 성분의 농도가 거의 동일해야 합니다. 완충 용액은 일반적으로 완충 용액 쌍의 한 구성 요소가 다른 구성 요소의 약 10% 미만일 때 그 유용성을 잃었습니다.
2. 약산과 그 염은 pH 7 미만의 완충제로 더 좋습니다. 약염기와 그 염은 7보다 큰 pH에 대한 완충 용액으로 더 좋습니다.

혈액은 완충 용액의 중요한 예이며, 완충 작용을 담당하는 주요 산과 이온은 탄산(H_2CO_3)과 중탄산염 이온(HCO_3^−)입니다. 하이드로늄 이온이 혈류에 도입되면 주로 다음 반응에 의해 제거됩니다.

첨가된 수산화물 이온은 다음 반응에 의해 제거됩니다.

따라서 첨가된 강산 또는 염기는 완충제 쌍의 훨씬 더 약한 산 또는 염기로 효과적으로 변환됩니다(H_3O^+는 H_2CO_3로 변환되고 OH^-는 HCO_3^-로 변환됩니다). 따라서 인간 혈액의 pH는 완충 용액 쌍 pK_a에 의해 결정된 값(이 경우 7.35)에 매우 가깝게 유지됩니다. 혈액 pH의 정상적인 변화는 일반적으로 0.1 미만이며, 0.4 이상의 pH 변화는 치명적일 가능성이 높습니다.

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

pH 변화를 저애하는 완충제의 효과는 약산과 그 짝 염기 또는 약염기 및 그 짝산의 농도 비율과 절대 농도에 따라 달라집니다. 완충제 범위는 산 또는 염기를 추가할 때 pH의 현저한 증가 또는 감소를 억제하는 pH 범위입니다. 범위는 pKa보다 한 단위 높거나 낮습니다.

따라서 효과적인 완충제가 되려면 약산 대비 염기 또는 약염기 대비 산 비율이 10대 1과 1대 10이 되어야 합니다. 핸더슨-하셀바흐 방정식을 풀어서 이러한 값을 지원할 수 있습니다. 산의 농도가 염기의 10배인 경우 pH는 pKa보다 1단위 적습니다.

이에 반해 염기의 농도가 산의 10배인 경우 pH는 pKa보다 1단위 더 많습니다. 완충제는 약산과 짝염기의 농도가 같고 pH가 pKa와 같을 때 완충 범위의 중간에서 가장 효과적입니다. 약산과 염기의 양의 차이가 증가함에 따라 완충제의 효과도 떨어집니다.

따라서 각각 1몰의 아세트산과 아세테이트를 포함한 완충제 A가 0.1몰의 아세트산과 1몰의 아세테이트를 함유한 완충제 B보다 더 효과적일 것입니다. 약산과 염기의 절대 농도는 또한 완중제의 효과도 결정합니다. 약산과 염기의 농도가 더 클수록 더 강한 산이나 염기를 중화시킬 수 있습니다.

따라서 각각 1몰의 포름산과 포름산염을 포함한 완충제가 각각 0.1 몰의 양을 가진 완충제보다 더 효과적입니다. 완충 용량은 pH가 크게 변경되기 전에 완중제가 중화시킬 수 있는 강산 또는 염기의 양입니다. 따라서, 약산과 그 짝염기의 농도가 높을 수록 그리고 약산과 염기의 비율이 1에 근접할 때 산과 염기의 완충 용량은 증가합니다.