완충용액

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1 정의

완충용액(Buffer Solution)이란 산이나 염기를 넣어도 일정한 양 까지는pH 변화가 거의 없는 용액을 말한다.

2 제법

완충용액은 약산과 그 짝염기를 넣는 방법으로 제조한다. 단, 아래에 기술하겠지만 완충용량(pH 변화가 거의 없는 양)이 가장 크려면 약산과 짝염기의 몰수가 같아야 하기 때문에 완충용액을 제작할 때 주로 약산과 짝염기는 같은 몰수가 되도록 넣는 것을 권장한다.

3 원리

완충용액은 르 샤틀리에의 원리에 의해 설명될 수 있다. 폼산과 그 짝염기로 만들어진 완충용액의 반응은 아래와 같다.
[math] HCOOH \rightleftharpoons HCOO^- + H^+ [/math]
이 때, 용액에 산성 용액을 첨가할 경우, 생성물에 해당하는 수소 이온이 증가하므로, 반응은 역반응이 우세한 쪽으로 진행되어 폼산이 생성되고, 수소이온 농도는 감소한다. (pH 감소 억제)
역으로, 염기성 용액을 첨가하면 반응은 정반응이 우세한 쪽으로 진행되어 폼산은 이온화되고, 수소 이온의 농도는 증가한다. (pH 증가 억제)
이와 같은 방법으로 완충용액이 포함된 경우 pH의 변화가 억제된다.

단, 여기서 지나치게 많은 양의 산이나 염기를 넣어주었을 경우 완충용액의 물질들의 농도는 들어온 산이나 염기에 비해 미미하므로 더 이상 완충작용을 하지 못하게 되는데, 이를 완충용량을 초과했다고 한다.

따라서 많은 양의 산이나 염기를 완충시키려면 약산과 짝염기를 같은 양이 되도록 많이 넣어주는 것이 완충용량을 키우는 방법이다.

그림이나 완충 그래프는 추가바람.

3.1 계산

핸더슨 식은 초기 농도와 평형 농도가 비슷할 때 사용 가능하므로 완충용액의 반응 전후 pH는 Henderson–Hasselbalch식으로 계산이 가능한데, 반응 완결(평형상태)의 용액에서 나오는 값들을 이 식에 넣으면 된다.

[math] pH = pK_a + \log {[A^-] \over [HA]} [/math]

약산과 그 짝염기의 농도가 거의 같다면 log값은 0이므로 pH=pKa로서, 약산의 pKa값으로 pH를 만들 수 있으므로 이는 약산과 짝염기의 몰수를 같게 넣어주는 것의 한 이유이다.

4 우리 생활에서의 완충용액

우리의 몸은 당연하지만 적절한 pH를 계속 유지해야 한다. 그래서 우리 몸에는 완충용액이 많이 존재하는데, 대표적인 예로 혈액이 있다. 혈액은 pH 7.4~ 7.6 정도로 중성의 pH를 유지한다. 만약 혈액이 완충 작용을 하지 않았다면 우리가 산성인 사이다라도 한잔 마시는 순간 쇼크가 왔을 것이다(...)

몸 전체적인 pH를 담당하는 혈액 말고도 침 같은 우리 몸의 효소(기질)마다 활동성(기능)이 최대가 되는 pH가 있는데, 이를 맞춰주기 위해서 완충작용이 일어나기도 한다.