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์ง€์‹œ์•ฝ

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Chemistry
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๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์€ pH์— ๋”ฐ๋ผ ์ƒ‰์ƒ์ด ๋ณ€๊ฒฝ๋˜๋ฏ€๋กœ ์†”๋ฃจ์…˜์˜ pH๋ฅผ ์ธก์ •ํ•˜๋Š” ๋ฐ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. pH ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์—๋Š” HIn์œผ๋กœ ๋Œ€ํ‘œ๋˜๋Š” ์•ฝ์‚ฐ์ด ๋“ค์–ด ์žˆ์œผ๋ฉฐ ์ด ์‚ฐ์€ ์ง ์—ผ๊ธฐ์ธ In ์ด์˜จ์œผ๋กœ ๋ณ€ํ™˜๋  ๋•Œ ์ƒ‰์ด ๋ณ€ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ์ƒ‰์ƒ์€ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์˜ pH ๊ฐ„๊ฒฉ์— ๋”ฐ๋ผ ๋ณ€ํ•˜๋ฉฐ pKa์— ๋”ฐ๋ผ ๋‹ฌ๋ผ์ง‘๋‹ˆ๋‹ค.์šฉ์•ก์˜ pH๊ฐ€ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์˜ pKa๋ณด๋‹ค ๋‚ฎ์œผ๋ฉด ํ•˜์ด๋“œ๋กœ๋Š„ ๋†๋„๊ฐ€ ๋†’์€ ๊ฒƒ์ž…๋‹ˆ๋‹ค. ๋ฐ˜์‘์˜ ํ‰ํ˜•์€ ์™ผ์ชฝ์œผ๋กœ ์ด๋™ํ•˜๋ฉด์„œ HN์˜ ๋†๋„๋ฅผ ์ฆ๊ฐ€์‹œํ‚ต๋‹ˆ๋‹ค. ์—ผ๊ธฐ๋ฅผ ์ฒจ๊ฐ€ํ•˜๋ฉด ํ•˜์ด๋“œ๋กœ๋Š„์˜ ๋†๋„๊ฐ€ ๊ฐ์†Œํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค.์ด pH ๋ณ€ํ™”์— ๋”ฐ๋ผ HIn์„ In ์ด์˜จ์œผ๋กœ ๋ณ€ํ™˜ํ•˜๊ณ  ์šฉ์•ก์˜ ์ƒ‰์ƒ์ด ๋ฐ”๋€๋‹ˆ๋‹ค. HIN ์ƒ‰์€ pH๊ฐ€ pKa๋ณด๋‹ค ์ ์–ด๋„ ํ•˜๋‚˜ ๋‚ฎ์„ ๋•Œ ๋‘๋“œ๋Ÿฌ์ง€๊ณ  In ์ด์˜จ ์ƒ‰์ƒ์€ pH๊ฐ€ ์ ์–ด๋„ ํ•˜๋‚˜ ๋†’์„ ๋•Œ ๋‘๋“œ๋Ÿฌ์ง€๋ฉฐ ์ƒ‰์€ ๊ทธ ์‚ฌ์ด์˜ pH์˜ ํ˜ผํ•ฉ๋ฌผ์ž…๋‹ˆ๋‹ค. ์„œ๋กœ ๋‹ค๋ฅธ pH ๋ฒ”์œ„์—์„œ ์ƒ‰์ƒ์„ ๋ณ€๊ฒฝํ•˜๋Š” pH๋ฅผ ๋ชจ๋‹ˆํ„ฐ๋งํ•˜๋Š” ๋ฐ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” pH ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์€ ์—ฌ๋Ÿฌ ๊ฐ€์ง€๊ฐ€ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค.๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์ด ์ƒ‰์ƒ์„ ๋ณ€๊ฒฝํ•˜๋Š” ์ ์„ ์ข…์ ์ด๋ผ๊ณ  ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ์ ์ •ํ™”์— ์ด์ƒ์ ์ธ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์—๋Š” ๋‹น๋Ÿ‰์  ๊ทผ์ฒ˜์— ์ข…์ ์ด ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. ๋‹น๋Ÿ‰์  ๊ทผ๋ฐฉ์—์„œ๋Š” pH ๋ณ€ํ™”๊ฐ€ ๋น ๋ฅด๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ๊ฐ•์‚ฐ๊ณผ ์—ผ๊ธฐ์˜ ์ ์ • ๊ณก์„ ์ด ๊ฐ€ํŒŒ๋ฆ…๋‹ˆ๋‹ค.์ด๋Ÿฌํ•œ ์ ์ •์—์„œ๋Š” ๋น„๊ต์  ๊ด‘๋ฒ”์œ„ํ•œ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์„ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. 0.1 ๋ชฐ์˜ ์—ผ์‚ฐ๊ณผ 0.1 ๋ชฐ์˜ ์ˆ˜์‚ฐํ™”๋‚˜ํŠธ๋ฅจ์„ ์ ์ •ํ™”ํ•˜๋Š” ๋™์•ˆ pH๋Š” 3์—์„œ 11๋กœ ๋น ๋ฅด๊ฒŒ ์ฆ๊ฐ€ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. pH ๊ฐ„๊ฒฉ์ด 8.3 ์—์„œ10์ธ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์ธ ํŽ˜๋†€ํ”„ํƒˆ๋ ˆ์ธ ๋˜๋Š” 4.2 ์—์„œ 6์ธ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์ธ ๋ฉ”ํ‹ธ๋ ˆ๋“œ๋Š” ์ด ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์˜ ์ข…์ ์ด ๊ณก์„ ์˜ ๊ฐ€ํŒŒ๋กœ์šด ๋๋ถ€๋ถ„๊ณผ ๊ฒน์น˜๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ์—ฌ๊ธฐ์„œ ์ด ์ค‘ ํ•˜๋‚˜๋ฅผ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค.๋Œ€์กฐ์ ์œผ๋กœ ์•ฝ์‚ฐ์ด๋‚˜ ์—ผ๊ธฐ๋ฅผ ํฌํ•จํ•˜๋Š” ์ ์ •ํ™”๋Š” ๊ฐ•์‚ฐ๊ณผ ๊ฐ•์—ผ๊ธฐ๋งŒ์„ ํฌํ•จํ•œ ๊ฒƒ๋ณด๋‹ค ๊ณก์„ ์ด ๋œ ๊ฐ€ํŒŒ๋กญ๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ์ƒ๋Œ€์ ์œผ๋กœ ์ข์€ ๋ฒ”์œ„์˜ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์„ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค 0.1 ๋ชฐ์˜ ์•„์„ธํŠธ์‚ฐ์„ 0.1 ๋ชฐ์˜ ์ˆ˜์‚ฐํ™”๋‚˜ํŠธ๋ฅจ๊ณผ ํ•จ๊ป˜ ์ ์ •ํ•˜๋Š” ๋™์•ˆ pH๋Š” 7์—์„œ 11๊นŒ์ง€ ๋น ๋ฅด๊ฒŒ ์ฆ๊ฐ€ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ํŽ˜๋†€ํ”„ํƒˆ๋ ˆ์ธ์€ ์ข…์ ์ด ๋‹น๋Ÿ‰์ ๊ณผ ๊ฒน์น˜๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ์—ฌ๊ธฐ์„œ ์‚ฌ์šฉ๋  ์ˆ˜ ์žˆ์ง€๋งŒ ๋ฉ”ํ‹ธ ๋ ˆ๋“œ๋Š” ๋น„ํšจ์œจ์ ์ธ ๋ฐ˜์‘ ์ง€์‹œ์•ฝ์ด ๋  ๊ฒƒ์ž…๋‹ˆ๋‹ค.

16.8:

์ง€์‹œ์•ฝ

ํ•˜์ด๋“œ๋กœ๋Š„ ์ด์˜จ ๋†๋„๊ฐ€ ํŠน์ • ๊ฐ’์— ๋„๋‹ฌํ•˜๋ฉด ํŠน์ • ์œ ๊ธฐ ๋ฌผ์งˆ์€ ํฌ์„ ์šฉ์•ก์˜ ์ƒ‰์ƒ์„ ๋ณ€๊ฒฝํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ์˜ˆ๋ฅผ ๋“ค์–ด, ํŽ˜๋†€ํŽœํŠธํ• ๋ฆฐ์€ ํ•˜์ด๋“œ๋กœ๋Š„ ์ด์˜จ ๋†๋„๊ฐ€ 5.0ร— 10-9M(pH&8.3)๋ณด๋‹ค ํฐ ์ž„์˜์˜ ์ˆ˜์„ฑ ์šฉ์•ก์—์„œ ๋ฌด์ƒ‰ ๋ฌผ์งˆ์ด๋‹ค. ํ•˜์ด๋“œ๋กœ๋Š„ ์ด์˜จ ๋†๋„๊ฐ€ 5.0 ร— ๋ฏธ๋งŒ์ธ ๋ณด๋‹ค ๊ธฐ๋ณธ์ ์ธ ์†”๋ฃจ์…˜์—์„œ 10-9 M (pH > 8.3) ๋นจ๊ฐ„์ƒ‰ ๋˜๋Š” ๋ถ„ํ™์ƒ‰์ž…๋‹ˆ๋‹ค. ์šฉ์•ก์˜ pH๋ฅผ ๊ฒฐ์ •ํ•˜๋Š” ๋ฐ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋Š” ํŽ˜๋†€ํŽœํŠธํ• ๋ฆฐ๊ณผ ๊ฐ™์€ ๋ฌผ์งˆ์€ ์‚ฐ์—ผ ๊ธฐ์ € ์ง€ํ‘œ๋ผ๊ณ  ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ์‚ฐ์—ผ ๊ธฐ์žฌ ์ง€ํ‘œ๋Š” ์•ฝํ•œ ์œ ๊ธฐ์‚ฐ ๋˜๋Š” ์•ฝํ•œ ์œ ๊ธฐ ์—ผ๊ธฐ์ž…๋‹ˆ๋‹ค.

์‚ฐ์—ผ ๊ธฐ์ €ํ‘œ์‹œ๊ธฐ ๋ฉ”ํ‹ธ ์˜ค๋ Œ์ง€์˜ ์šฉ์•ก์˜ ํ‰ํ˜•์€ ์•ฝํ•œ ์‚ฐ์ธ ๋ฐ๋ฏธ์ง€์˜ค๋ Œ์ง€(methyl orange)์˜ ์šฉ์•ก์œผ๋กœ, ๋ณต์žกํ•œ ๋ฉ”ํ‹ธ ์˜ค๋ Œ์ง€ ๋ถ„์ž์— ๋Œ€ํ•œ ๊ฐ„๋‹จํ•œ ํ‘œํ˜„์œผ๋กœ HIn์„ ์‚ฌ์šฉํ•˜๋Š” ๋ฐฉ์ •์‹์œผ๋กœ ํ‘œํ˜„๋  ์ˆ˜ ์žˆ๋‹ค.

Eq1

๋ฉ”ํ‹ธ ์˜ค๋ Œ์ง€์˜ ์Œ์ด์˜จ, Inโˆ’๋…ธ๋ž€์ƒ‰์ด๋ฉฐ, nonionized ํ˜•ํƒœ ์ธ HIn์€ ๋นจ๊ฐ„์ƒ‰์ž…๋‹ˆ๋‹ค. ๋ฉ”ํ‹ธ ์˜ค๋ Œ์ง€์˜ ์šฉ์•ก์— ์‚ฐ์„ ์ถ”๊ฐ€ํ•˜๋ฉด, ํ•˜์ด๋“œ๋กœ๋Š„ ์ด์˜จ ๋†๋„๊ฐ€ ์ฆ๊ฐ€ํ•˜๋ฉด ๋ฅด ์ƒคํ…”๋ฆฌ์—์˜ ์›์น™์— ๋”ฐ๋ผ ๋‹ˆ์˜จํ™”๋œ ๋ถ‰์€ ์ƒ‰์œผ๋กœ ํ‰ํ˜•์„ ์ด๋™์‹œํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ๋ฒ ์ด์Šค๋ฅผ ์ถ”๊ฐ€ํ•˜๋ฉด ํ‰ํ˜•์„ ๋…ธ๋ž€์ƒ‰ ํ˜•ํƒœ๋กœ ์ด๋™ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ์ด ๋™์ž‘์€ ๋ฒ„ํผ์˜ ์ž‘์—…๊ณผ ์™„์ „ํžˆ ์œ ์‚ฌํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค.

์ง€ํ‘œ ์šฉ์•ก์˜ ์ธ์‹ ๋œ ์ƒ‰์ƒ์€ ๋‘ ์ข…์˜ ๋†๋„์˜ ๋น„์œจ์— ์˜ํ•ด ๊ฒฐ์ •๋œ๋‹ค ๋ฐ HIn. ํ‘œ์‹œ๊ธฐ์˜ ๋Œ€๋ถ€๋ถ„ (์ผ๋ฐ˜์ ์œผ๋กœ ์•ฝ 60-90 % ์ด์ƒ)์ด Inโˆ’๋กœ์กด์žฌํ•˜๋Š” ๊ฒฝ์šฐ, ์†”๋ฃจ์…˜์˜ ์ธ์‹ ๋œ ์ƒ‰์ƒ์€ ๋…ธ๋ž€์ƒ‰์ž…๋‹ˆ๋‹ค. ๋Œ€๋ถ€๋ถ„ HIn์œผ๋กœ ๋‚˜ํƒ€๋‚˜๋ฉด ์†”๋ฃจ์…˜ ์ƒ‰์ƒ์ด ๋นจ๊ฐ„์ƒ‰์œผ๋กœ ๋‚˜ํƒ€๋‚ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ํ—จ๋”์Šจ-ํ•˜์…€๋ฐœํŠธ ๋ฐฉ์ •์‹์€ ์ง€ํ‘œ ์†”๋ฃจ์…˜์˜ pH์™€ ๊ทธ ๊ตฌ์„ฑ(๋”ฐ๋ผ์„œ ์ธ์‹๋œ ์ƒ‰์ƒ) ๊ฐ„์˜ ๊ด€๊ณ„๋ฅผ ์ดํ•ดํ•˜๋Š” ๋ฐ ์œ ์šฉํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค.

Eq1

pH > pKa๊ฐ€์žˆ๋Š” ์†”๋ฃจ์…˜์—์„œ, ๋กœ๊ทธ์™€์Šค๋ฏน ์šฉ์–ด๋Š” ์ง€ํ‘œ(๋…ธ๋ž€์ƒ‰ ์šฉ์•ก)์˜ ์ปจ์ฅฌ๊ฒŒ์ดํŠธ ๊ธฐ๋ณธ ํ˜•ํƒœ๋ฅผ ์ดˆ๊ณผํ•˜๋Š” ๊ฒƒ์„ ๋‚˜ํƒ€๋‚ด๋Š” ์–‘์„ฑ์ด์–ด์•ผ ํ•œ๋‹ค. pH > pKa,๋กœ๊ทธ ์šฉ์–ด๋Š” ์Œ์ˆ˜์—ฌ์•ผ ํ•˜๋ฉฐ, ์ด๋Š” ๊ณต์ฃผ์‚ฐ(์ ์ƒ‰ ์šฉ์•ก)์˜ ๊ณผ์ž‰์„ ๋‚˜ํƒ€๋‚ธ๋‹ค. ์šฉ์•ก pH๊ฐ€ ์ง€ํ‘œ pKa์—๊ฐ€๊นŒ์šฐ๋ฉด ๋‘ ์ปจ์ฅฌ๊ฒŒ์ดํŠธ ํŒŒํŠธ๋„ˆ์˜ ์ƒ๋‹นํ•œ ์–‘์ด ์กด์žฌํ•˜๋ฉฐ, ์†”๋ฃจ์…˜ ์ƒ‰์ƒ์€ ๊ฐ๊ฐ์˜ ์ฒจ๊ฐ€์ œ ์กฐํ•ฉ(๋…ธ๋ž€์ƒ‰๊ณผ ๋นจ๊ฐ„์ƒ‰, ํ•ญ๋ณต ์˜ค๋ Œ์ง€)์ด๋‹ค. ์‚ฐ-๋ฒ ์ด์Šค ํ‘œ์‹œ๊ธฐ์˜ ์ƒ‰์ƒ ๋ณ€ํ™” ๊ฐ„๊ฒฉ(๋˜๋Š” pH ๊ฐ„๊ฒฉ)์€ ์ƒ‰์ƒ ๋ณ€ํ™”๊ฐ€ ๊ด€์ฐฐ๋˜๋Š” pH ๊ฐ’์˜ ๋ฒ”์œ„๋กœ ์ •์˜๋˜๋ฉฐ, ๋Œ€๋ถ€๋ถ„์˜ ์ง€ํ‘œ์˜ ๊ฒฝ์šฐ ์ด ๋ฒ”์œ„๋Š” ๋Œ€๋žต pKยฑ 1์ด๋‹ค.

๊ด‘๋ฒ”์œ„ํ•œ pH ๊ฐ’์„ ์ปค๋ฒ„ํ•˜๋Š” ๋งŽ์€ ๋‹ค๋ฅธ ์‚ฐ์—ผ ๊ธฐ์žฌ ์ง€ํ‘œ๊ฐ€ ์žˆ์œผ๋ฉฐ ์ œ๊ฑฐ ๊ณผ์ •์— ์˜ํ•ด ์•Œ ์ˆ˜์—†๋Š” ์šฉ์•ก์˜ ๋Œ€๋žต์ ์ธ pH๋ฅผ ๊ฒฐ์ •ํ•˜๋Š” ๋ฐ ์‚ฌ์šฉํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. ๋ฒ”์šฉ ์ง€ํ‘œ ๋ฐ pH ์šฉ์ง€์—๋Š” ์ง€ํ‘œ๊ฐ€ ํ˜ผํ•ฉ๋˜์–ด ์žˆ์œผ๋ฉฐ ๋‹ค๋ฅธ pHs์—์„œ ๋‹ค๋ฅธ ์ƒ‰์ƒ์„ ๋‚˜ํƒ€๋‚ธ๋‹ค.

์ด ํ…์ŠคํŠธ๋Š” Openstax, ํ™”ํ•™ 2e, ์„น์…˜ 14.7: ์‚ฐ์—ผ-๋ฒ ์ด์Šค ์ ์ •์—์„œ ์ ์šฉ๋ฉ๋‹ˆ๋‹ค.

Suggested Reading

Coleman, William F. "Molecular models of indicators." Journal of Chemical Education 87 no.1, (2008):1152 https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed800038w.