완충용액에 대해서

완충용액에 대해서

완충용액(또는 완충액;buffer)

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외부에서 소량의 산이나 염기를 가해도, 또 희석해서 농도를 바꾸어도 그 영향을 완화해서 pH(수소이온지수)를 거의 일정하게 유지하는 작용(완충작용)을 갖는 수용액을 완충용액이라고 한다.

일반적으로 산성 완충용액은 약산과 그 소금 혼합수용액, 염기성 완충용액은 약염기와 그 소금 혼합수용액이 사용된다.

사람의 혈액은 탄산이온(CO32-)과 탄산수소이온(HCO3-)을 통한 완충작용으로 pH 7.4로 유지된다.

세포내는 인산수소이온(HPO42-)과 인산이수소이온(H2PO4-)으로 pH 6.9로 되어 있다.

실험실에서는 효소 반응, 세포나 미생물의 배양 등 pH의 변동을 최소한으로 억제할 필요가 있는 실험에 이용되고 있다.또, 스포츠 음료에도 완충작용이 있다.

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완충 용액의 예시

완충용액	구성성분	이용하는 pH 범위
초산 완충액	CH3COOH와 CH3COONa	3.2-6.2
인산완충액	NaH2PO4와 Na2HPO4	5.2-8.3
염화 암모늄 완충액	NH3와 NH4Cl	8.0-11.0

실험실에서:

DNA나 RNA의 보존에는 통상 TE 완충액을 이용한다.

TE완충액*에 포함되는 EDTA는 2가의 금속 이온인 킬레이트제로서, Mg2+이온에 결합하여, 핵산 분해 효소(DNase)의 기능을 약하게 하는 효과가 있다.

또, pH를 약알칼리성으로 해놓음으로써(RNA용에는 pH 7.4, DNA용에는 pH 8.0), DNA나 RNA의 침전과 분해를 막는 기능도 있다.

*TE완충액: 트리스완충액(트리스(히드록실메틸) 아미노메탄)에 EDTA를 첨가한 것

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산과 염기(acid and base)

산이 갖는 공통 성질로는

1)산미가 있다

2)마그네슘 아연 등의 금속과 반응하여 수소를 발생한다

3)청색 리트머스지를 붉힌다

4)염기를 중화한다 등이 있다.

한편 염기가 갖는 공통 성질로

1)쓴맛이 있다,

2)손에 닿으면 미끈미끈하다,

3)붉은색 리트머스지를 푸르게 한다,

4)산을 중화한다 등이 있다.

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아레니우스는 산·염기를 다음과 같이 정의했다.

산은물에녹으면수소이온H+를생기는물질이고,염기는물에녹으면수산화물이온OH-를생기는물질이다.

HCl → H+ + Cl-

NaOH → Na+ + OH-

　이를 브렌스테드와 로리는 수용액 외에도 적용할 수 있도록 확장하면서 산이란 수소이온 H+를 주는 물질이고 염기란 수소이온 H+를 받는 물질이라고 정의했다.

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HCl + H2O → H3O+ + Cl-

NH3+H2O NH4+ OH-

HCl은 H2O에 H+를 주어 산, H2O는 H+를 받아 염기이다.

NH3는 H2O로부터 H+를 받았으므로 염기, H2O는 H+를 주어 산이다.

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루이스는 이어 산이란 전자쌍을 받는 분자 이온이며 염기란 전자쌍을 주는 분자 이온이다고 정의를 확장했다.

이 정의에 따르면, 수소가 없는 물질에 대해서도 산·염기의 개념을 적용하는 것이 가능해진다.

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같은 농도(예를 들어 0.1mol/L)의 염산과 아세트산에 마그네슘이나 아연을 첨가하면 염산에서는 격렬하게 수소를 발생하는데 아세트산에서의 반응은 부드럽다.

이는 염산이 수용액 안에서 거의 완전히 이온화된 반면 아세트산은 일부만 이온화되어 있기 때문이다.

수용액 중 산이나 염기의 전리 정도는 다음과 같이 전리도α로 나타낸다.

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전리도α=(전리된 산(염기)의 물질량) / (용매에 녹인 산(염기)의 물질량)

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농도가 높을 때도 전리도가 1에 가까운 산 염기를 각각 강산 강염기라고 하고 전리도가 1보다 현저히 작은 것을 약산 약염기라고 한다.

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주된 산, 염기의 가치와 강약

가치	강산	약산	강염기	약염기
1	염산HCl 질산HNO3	아세트산CH3COOH	수산화나트륨 NaOH 수산화칼륨 KOH	암모니아 NH3
2	황산H2SO4	황화수소(유화수소) H2S 옥살산 H2C2O4	수산화 칼슘 Ca(OH)2	수산화동 Cu(OH)2 수산화철 (II)Fe(OH)2
3		인산 H3PO4		수산화철 (III)Fe(OH)3

산에 포함되는 수소원자 중 수소이온으로 전리할 수 있는 수소원자의 수를 그 산의 가치라 하며, 가수에 따라 1가의 산, 2가의 산, ...이라 부른다.염기로는 생기는 수산화물 이온 또는 받을 수 있는 수소 이온의 수를 염기 가치라고 하며, 가수에 따라 1가의 염기, 2가의 염기라고 부른다.

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화학 평형(chemical equilibrium)

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질소와 수소에서 암모니아가 생기는 반응은 반응이 있는 곳까지 진행하면 멈춘 것처럼 보인다.

그러나 실제로는 반응이 멈춘 것이 아니라 질소와 수소에서 암모니아가 생기는 정반응과 암모니아가 분해되어 질소와 수소가 되는 역반응 두 반응의 속도가 정확히 들어맞는 상태가 된 것이다.

이러한 상태를 화학평형 상태(평형 상태)라고 한다.

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평형 상태에 있는 반응 혼합물의 압력, 온도, 농도를 변화시키면 새로운 평형 상태가 된다.

이를 평형이동이라고 한다.

르샤트리는 반응의 여러 조건을 바꾸었을 때 평형이 어떤 방향으로 변화하는지에 대한 규칙성을 발견했다.

이를 루샤트리에 평형이동의 원리라고 부른다.

이 원리는 평형에 어떤 반응이 어떤 조건의 변화를 받은 경우 이 변화를 가능한 적게 하는 방향으로 조성이 조정된다는 것이다.

가령 암모니아 합성으로 질소 농도를 크게 하면 질소 농도를 작게 하는 방향으로 평형이 이동하고 반응용기 중 압력을 올리면 압력을 낮추는 방향 （N2+3H2→2NH3）으로 평형이 이동한다는 것이다.

 

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