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완충 용액 개념 잡기!

6일 전 업데이트됨

건강한 사람의 혈액은 pH가 7.3~7.4 정도로 일정하게 유지된다. 음식물을 섭취하거나 운동을 할 때에도 혈액의 pH는 잘 변하지 않으며, 만약 일정 범위를 넘는다면 생명이 위험할 수도 있다. 이렇게 우리 몸속 혈액은 완충 작용을 하며 생명을 지켜준다. 본문에서는 산과 염기의 기본적인 개념부터, 완충 용액이란 무엇인지에 대해 살펴보겠다.


산과 염기

먼저 산과 염기에 대해 간단하게 알아보고 넘어가자. 산과 염기는 아레니우스와 브뢴스테드-로우리, 루이스에 의해 정의되었다. 루이스의 정리에 따르면, 산은 다른 물질의 비공유 전자쌍을 받아들이는 물질이며, 그 예로는 HCl, CH3COOH 등이 있다. 산은 수소보다 반응성이 큰 금속과 반응하면 수소 기체를 발생시키는데, 이는 금속이 산의 수용액에서 이온으로 녹으며 내놓은 전자를 산이 이온화된 수소 이온이 받아 만들어진다.



염기는 다른 물질에게 비공유 전자쌍을 내놓는 물질로, 염기의 묽은 수용액은 쓴 맛이 있다. 또한, 단백질을 녹이는 성질이 있는데, 비누도 물에 녹아 염기성을 띠는 물질이다. 비누를 오랫동안 방치하면 Na2CO3가 생기는데, 이는 비누 중의 NaOH가 산성물질인 CO2와 반응하여 생성된 것이다.

염(Salt)

산과 염기를 반응시키면 산의 음이온과 염기의 양이온이 결합해 염을 만들고, 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 물을 만든다. 염은 주로 중성을 띄는 경우가 대부분이며, 염화 나트륨이 주성분인 소금 결정도 염이다. 화합물의 pH가 7보다 큰지 작은지에 따라서 염을 산성염, 염기성염, 정염으로 구분할 수 있으나, 산성염이라 해서 꼭 염의 수용액에 산성이라는 뜻은 아니다.


염산(HCl)과 수산화 나트륨(NaOH) 수용액의 중화 반응. 알짜 이온은 H+, OH-, 구경꾼 이온은 Na+, Cl-이며 물을 증발시키면 NaCl 결정을 얻을 수 있다.

염은 중화 반응뿐만 아니라 금속과 산의 반응, 산과 금속 산화물의 반응, 염기와 비금속 산화물의 반응 등에서도 생성된다. 염은 대부분 녹는점이 높은 이온 결정이며, 전하가 작은 이온으로 구성된 염은 물에 잘 녹는 경향을 보인다. 산이나 염기와 반응할 때는 약산이나 약염기 또는 휘발성 산이 생성되는 방향으로 반응이 진행된다.



공통 이온 효과

같은 이온을 가지고 있는 두 이온성 화합물을 녹이면 용해도가 낮아지는 현상이다. 즉, 전해질 수용액에 존재하는 이온과 같은 이온을 포함하는 물질을 수용액에 첨가하면 공통 이온이 감소하는 쪽으로 반응이 진행된다. 이는 외부 조건이 변화하면 변화를 없애려는 방향으로 평형이 이동한다는 르샤틀리에 원리로 설명할 수 있다.

완충 용액

산이나 염기를 가해도 pH가 거의 변하지 않는 용약을 말한다. 약산에 그 짝염기를 넣었을 때나 약염기에 그 짝산을 넣은 용액인데, 이 용액의 pH가 변하지 않는 이유는 공통 이온 효과 때문이다.



예시로 아세트산과 아세트산 나트륨을 1:1의 몰수 비로 혼함하면, 다음과 같은 반응식을 얻게 된다.


산(H+)을 넣으면 용액의 H+ 증가 →평형이 역반응 쪽으로 이동, H+가 CH3COO-과 반응해 CH3COOH 생성 → 용액의 pH는 거의 변하지 않음 염기(OH-)를 넣으면 용액의 OH- 증가 → 평형이 정반응 쪽으로 이동, OH-가 CH£COOH과 중화 반응을 하여 소모됨 → 용액의 pH는 거의 변하지 않음


또한, 혈액 속에는 탄산과 탄산수소 이온이 있어 완충 작용을 가능하게 한다. 사람의 혈액은 탄산, 인산과 단백질로 이루어져 있으며, 혈액의 pH가 6.8 이하거나 7.8 이상이면 죽을 수도 있다. 혈액에 산성 물질이 들어오면 탄산수소 이온과 중화 반응을 일으키고, 염기성 물질이 들어오면 탄산과 중화 반응을 일으킨다. 정상적인 산-염기 균형을 이루기 위한 탄산과 탄산수소 이온의 비율은 탄산 : 탄산수소 이온 = 1 : 20이라 한다.


혈액에 H+가 증가하면 → (나)의 역반응이 일어나 pH 일정하게 유지 → (가)의 역반응이 일어나 CO2가 생성되고, 몸 밖으로 배출된다. 혈액에 OH-가 증가하면→ OH-와 탄산이 반응하여 물과 탄산수소 이온을 만든다.

이 외에도 인산수소 이온과 단백질에 의한 완충 작용으로 혈액의 pH는 거의 항상 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 혈액 속의 혈장도 pH를 조절하는 데 중요한 역할을 한다.


Henderson-Hasselbalch 식

완충 용액에서 가장 중요한 식은 Henderson-Hasselbalch 식으로, 다음과 같다.



이로부터 약산과 그 짝염기가 동시에 존재하는 용액의 pH는 약산의 pKa를 중심으로 약산과 짝염기의 농도 비에 의존함을 알 수 있다. 만약 약산과 약염기의 농도가 같으면([HA] = [A-]), 용액의 pH는 약산의 pKa와 같다. 약산의 농도가 약염기의 농도보다 더 클 때는([HA] > [A-]) 용액의 pH가 약산의 pKa보다 더 작게 되며, 약산의 농도가 약염기의 농도보다 작은 경우 반대가 된다. 완충용액에 강산이나 강염기가 첨가된 경우에도 이 식으로부터 변화된 pH를 계산할 수 있다.



박유진 학생기자│Chemistry│지식더하기


참고자료

[1] HIGH TOP (고등학교 화학 12, 2015 개정 교육과정용)

[2] ZUM 학습백과


첨부 이미지 출처

[1] https://dic.kumsung.co.kr/

[2] 박유진 자체제작

[3] http://study.zum.com/

[4] https://microbenotes.com/henderson-hasselbalch-equation/


첨부 동영상 출처

[1] https://www.youtube.com/watch?v=8U5tP6GL9wM



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