완충용액 (Buffer Solution) ★☆

정의:  약산과 짝염기가 수용액에서 비슷한 비율로 녹아있는 것. 추가적인 산이나 염기에도 pH가 변화하지 않는 용액을 뜻합니다.

 

완충용액에는 HA와 A^- 가 존재합니다. 이것을 염두에 두고 두 가지 케이스를 생각해 봅시다.

 

1. 완충용액에 첨가된 HCl

•  강산이 첨가된 경우입니다. HCl은 수소이온과 산-염기적 거동을 하지 않는 구경꾼 이온인 Cl^- 가 존재할 것입니다.
• H⁺ 은 용액에 있는 짝염기인 A^-에 붙게 되며 해리된 산이온들이 약염기와 반응함으로써 중화되니 pH에 크게 영향을 줄 수 없습니다. 

2. 완충용액에 첨가된 NaOH

• 강염기가 첨가된 경우입니다. 비슷하게 Na⁺는 무시되고 OH^- 이온이 용액 속에 해리되며 반응할 수 있는 산을 찾게 됩니다. 
• HA는 약산으로 OH^-가 H⁺를 갈취해 올 수 있게 되며 H₂O로 중화됩니다. 동일하게 pH에 영향을 줄 수 없죠. 

 

https://villanovachemistry.wordpress.com/problems-with-buffer-solutions/

 

 

- 완충 용액의 최적 pH 조건

 

가장 이상적인 완충용액은 pH = pKa이지만 어느 정도 허용가능한 선이 존재한다. 

 

Henderson-Hasselbalch equation; A- 농도와 HA가 같으면 log 1 즉 0 이됨으로 pH = pKa가 성립

 

완충용액의 pH는 pKa ± 1.0 범위 안에 있어야 한다. 그러니 특정 pH값을 가지는 완충 용액을 만들고 싶다면 목표하는 pH에 가장 가까운 pKa값을 가지는 약산을 선택해야 함 

ex) Acetic acid의 pKa 4.76. Acetic acid/acetate 구성된 완충용액의 pH범위는 3.76 ~ 5. 76 사이가 돼야 함 

Henderson Hasselbalch 식을 따르면 ± log [A^-]/[HA] 값이 1 이하여야 하는데 그러면 [A^-]와 [HA]는 서로 10배 이상 차이 나면 안 됨. 

 

 

 

-  다양성자산은 완충능력을 보이는 pH 범위가 여러 개다 

ex) Phosphoric acid 같은 다양성자 산은 총 3개의 수소이온을 해리시킬 수 있는데 이러한 특징으로 인해 세 개의 pKa가 존재한다 (2.15, 7.20, 12.15) 그러니 완충범위 또한 세 개다. (1.15 ~ 3.15. 6.2 ~ 8.2, 11.15 ~13.15)

 

가장 기본적인 구조를 가진 아미노산인 glycine의 그래프이다.

 

아미노산은 기본적으로 carboxy group과 amino group 그리고 R이라는 곁사슬 구조가 존재하는데 글리신은 작용기가 H로 무시하기기 때문에 총 두 개의 수소이온을 해리시킬 수 있고 그러므로 두 개의  pKa를 가지고 있다. 

 

pK₁ 구간에서는 절반 정도의 글리신 분자가 COOH에서 H⁺를 잃은 COO^- 구조를 가지고 있다. (첫 번째 완충 구간) 

pK₂에서는 절반 정도의 글리신 분자가 아미노기 NH_3⁺에서 H⁺ 를 잃고 NH₂형태를 가진다. (두 번째 완충 구간) 

 

 

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이제 문제로 연습해보자. 

 

다음 중 완충용액에 해당하는 것은?

 

1) 0.1M HCl 50 mL + 0.1M NaOH 15 mL

2) 0.1M AcOH 50 mL +  0.1M NaOH 30 mL

3) 0.1M NaAc 50 mL + 0.1M HCl 25 ml

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

답: 2,3

 

• 1번 같은 경우는 강산과 강염기가 만나는 반응으로 이들은 용액 내에서 완전히 이온화가 되어 물과 염이 되고 중화작용으로 인해 완충용액의 기능을 할 수가 없습니다.
• 2번은 문제에서 모두 0.1M 농도이며 부피를 1L로 가정하면 주어진 ml 용량으로도 농도를 계산할 수 있다. 아래 사진과 같이 log [A-]/[HA] 값이 1 or -1 이하 임으로 완충용액임을 알 수 있다. 

• 3번 같은 경우는 위와 같이 ICE box로 풀이해 보면 약산과 짝염기의 농도가 같으며 pH = pKa를 성립하는 최적의 완충용액이다.