인터랙티브 완충 용액 시뮬레이션

이 실험 소개

혈액, 바닷물, 그리고 많은 의약품은 산이나 염기가 첨가되어도 pH를 거의 일정하게 유지해야 합니다. 완충 용액은 이를 가능하게 합니다. 완충 용액은 약산과 그 짝염기의 혼합물입니다. 소량의 강산을 넣으면 염기가 이를 제거하고, 소량의 강염기를 넣으면 약산이 중화합니다. 완충 용액과 순수한 물에 산과 염기를 나란히 한 방울씩 넣고 지시약의 색을 관찰해, 완충 용액이 언제 효과적으로 작용하고 언제 소모되는지 알아보세요.

학습 목표

소량의 산이나 염기를 넣었을 때 pH의 변화를 억제하는 용액을 완충 용액이라고 정의한다
약산과 그 짝염기가 첨가된 H⁺ 및 OH⁻ 이온을 어떻게 제거하는지 설명한다
헨더슨-하셀바흐 식을 사용해 완충 용액의 pH를 계산한다
농도와 염기 대 산의 비율이 완충 용량에 어떤 영향을 미치는지 설명하세요
pKa를 사용해 목표 pH에 맞는 완충 용액 조합을 선택하세요

사용 방법

1산을 1 mL씩 다섯 번 넣으세요. 완충 용액과 물에서 pH 변화를 비교하세요.
2시작을 다시 누르고 염기를 10 mL 넣으세요. 각각의 pH는 얼마나 변하나요?
3완충 용액의 pH가 급격히 떨어질 때까지 산을 계속 넣으세요. 산을 얼마나 넣었나요? 완충 용액에 들어 있는 염기의 몰수와 비교하세요.
4완충 용액의 농도를 0.02 mol/L로 설정해 다시 시작한 다음, 0.4 mol/L로 설정하세요. 어느 쪽이 변화를 더 잘 견디나요?
5염기 대 산의 비율을 1 : 4와 4 : 1로 바꾸세요. pH = pKa + log([염기]/[산])을 사용해 시작 pH를 확인하세요.
6혈액처럼 용액을 pH 7.4 부근으로 유지하려면 어떤 완충 용액 조합을 사용하겠나요?

모델

HA ⇌ H^{+} + A^{-}

평형 상태에 있는 약산과 그 짝염기

A^{-} + H^{+} \to HA, HA + OH^{-} \to A^{-} + H_{2} O

완충 용액이 첨가된 산과 염기를 제거하는 방식

pH = p K_{a} + lo g \frac{[ A ^{-} ]}{[ HA ]}

헨더슨-하셀바흐 방정식

[H^{+}] + [Na^{+}] = [OH^{-}] + [A^{-}] + [Cl^{-}]

정확한 pH 계산에 사용되는 전하 균형(에탄산염 완충 용액의 경우)

가정

각 비커에는 25 °C에서 100 mL의 액체가 들어 있습니다. 첨가하는 산은 0.1 mol/L HCl이고 염기는 0.1 mol/L NaOH이며, 첨가할수록 부피가 증가합니다.
활동도 대신 농도를 사용하며, 각 완충 쌍에 대해서는 산 해리 단계를 하나만 고려합니다(pKa 4.76, 7.21, 9.25).
전하 수지를 정확히 풀어 pH를 구하므로 완충제가 소진된 뒤에도 값이 정확하게 유지됩니다. 비교를 위해 헨더슨-하셀바흐 식으로 구한 값도 표시합니다.
물의 초기 pH는 7.00이며, 공기 중 이산화탄소가 녹아드는 것은 무시합니다.

수업에서 해 보기

Q10.1 M HCl 1 mL를 넣으면 물의 pH는 약 4만큼 변하는데 완충 용액의 pH는 약 0.01만 변하는 이유는 무엇인가요?
Q2완충 용액에 0.05 mol/L 에탄산과 0.05 mol/L 에탄산 나트륨이 들어 있습니다. 이 용액의 pH는 얼마인가요?
Q3산과 염기의 농도가 같을 때 완충 용액이 가장 효과적인 이유는 무엇인가요?
Q4완충 용액을 물로 희석해도 pH는 거의 변하지 않지만 완충 용량은 감소하는 이유를 설명하세요.
Q5탄산과 탄산수소 이온의 짝은 혈액의 pH를 약 7.4로 유지합니다. 격렬한 운동 중에 이 완충계가 없다면 혈액의 pH는 어떻게 될까요?

자주 묻는 질문

완충 용액은 중성 용액과 같은 건가요?

아니요. 완충 용액은 약산의 pKa에 가까운 어떤 pH든 유지할 수 있습니다. 아세트산염 완충 용액은 pH 약 4.8을, 암모니아 완충 용액은 pH 약 9.3을 유지합니다. 완충 용액인 이유는 pH가 무엇이냐가 아니라 pH가 거의 변하지 않기 때문입니다.

완충 용량이란 무엇인가요?

pH가 눈에 띄게 변하기 전에 완충 용액이 받아들일 수 있는 강산 또는 강염기의 양입니다. 산과 염기의 농도가 같을 때 가장 크며, 총농도가 높을수록 커집니다.

완충 용액을 다 쓰면 왜 헨더슨-하셀바흐 식을 이용한 추정이 불가능해지나요?

이 식을 사용하려면 산과 염기가 모두 존재해야 합니다. 둘 중 하나가 전부 반응해 없어지면 로그를 계산할 수 없고, 대신 남아 있는 과량의 강산 또는 강염기가 pH를 결정합니다.