[물 및 산 염기의 화학] 산과 염기 - 1부

많은 중요한 화합물의 생화학적 특성은 그들의 산 염기 특성에 의존한다. 산은 프로톤(proton, 수소이온) 공여체로 그리고 염기는 프로톤 수용체로 정의된다. 어떻게 산과 염기가 프로톤을 쉽게 얻고 잃는가는 화합물의 화학적 성질에 의존한다. 일정량의 산이 물에 녹아 있을 때 유리되는 수소이온의 양은 산의 세기를 수치적으로 나타내는데 유용하다. 산의 해리상수(Ka')는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이 식에서 [ ]는 몰 농도(mol/ℓ)를 나타낸다. 산에 대한 Ka'는 온도에 따라 변화하며 Ka'는 산이 많이 해리될수록 커지고 Ka'가 클수록 강한 산이다. 정확하게 표현된 산 염기 반응은 물이 용제 및 염기로 작용하는 프로톤 전이반응이다.

(aq)라는 기호는 수용액의 용질이라는 표시이고 (l)은 용액상태의 물이라는 표시이다.

물의 해리와 pH

물의 산 염기 특성은 생물학적 과정에서 용제로서 물의 중심적인 역할 때문에 중요하다. 물은 매우 적은 양이지만 H+와 OH-로 해리하며 이 반응에서 평형상수(Keq)는 25℃에서 1.8×10-16이다. 

순수한 물의 몰 농도 [H2O]는 1,000/18, 즉 55.5M로 어떤 용질의 농도와 비교하여도 매우 크며 불변이라고 할 수 있다. 그러므로

새로운 상수 Kw를 이온적이라 하며 수용액 중의 H+와 OH-의 농도관계를 나타낸다. 즉 이 관계에서 순수한 물의 H+ 농도를 계산할 수 있다. 물은 일염기산(분자 당 1개의 프로톤을 해리한다.)이기 때문에 H+의 농도[H+]는 OH-의 농도[OH-]와 같다. 그러므로 25℃의 순수한 물에서

Kw는 산 또는 염기를 포함한 모든 수용액에 대하여 10-14이며 이 상수를 산성 및 염기성의 수용액에 대한 pH를 계산하는데 사용된다.

pH라는 개념은 1909년 Sorensen에 의해 도입되었는데 이것은 대수를 이용하여 H⁺의 농도를 나타내는 것으로 다음과 같이 정의하였다.

예를 들면 25℃의 순수한 물은

일부 수용액 시료의 pH 값은 간단한 계산으로 구해진다. 

강염기 NaOH에 대한 [OH-]는 용액의 농도와 같으므로 [H+]는 [H+] = Kw/[OH-]로부터 얻어진다. pH 7의 순수한 물은 중성이며 산성용액은 7보다 낮은 pH 값을 가지고 염기성용액은 7보다 높은 pH 값을 가진다. 산의 해리상수 Ka'도 pH의 경우와 마찬가지로 정의하면 pKa'를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

pKa' = -logKa'

pKa'는 산도의 또 다른 수치적 측정이며 pKa' 값이 작을수록 강한 산이다.(표 1 참조)

물 질 명	산(HA)	짝염기(A-)	Ka'	pKa'
Acetic acid	CH3COOH	CH3COO-	1.76×10-5	4.76
Ammonium ion	NH4+	NH3	5.6×10-10	9.25
Carbonic acid(1)	H2CO3	HCO3-	4.3×10-7	6.37
Carbonic acid(2)	HCO3-	CO32-	5.6×10-11	10.2
Citric acid(1)	HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COOH	HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COO-	8.14×10-4	3.09
Citric acid(2)	HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COO-	-OOCCH2C(OH)(COOH)CH2COO-	1.78×10-5	4.75
Citric acid(3)	-OOCCH2C(OH)(COOH)CH2COO-	-OOCCH2C(OH)(COO-)CH2COO-	3.9×10-6	5.41
Lactic acid	CH3CHOHCOOH	CH3CHOHCOO-	1.38×10-4	3.86
Malic acid(1)	HOOCCH2CHOHCOOH	HOOCCH2CHOHCOO-	3.98×10-4	3.4
Malic acid(2)	HOOCCH2CHOHCOO-	-OOCCH2CHOHCOO-	5.5×10-6	5.26
Phosphoric acid(1)	H3PO4	H2PO4-	7.25×10-3	2.14
Phosphoric acid(2)	H2PO4-	HPO42-	6.31×10-8	7.2
Phosphoric acid(3)	HPO42-	PO43-	3.98×10-13	12.4
Pyruvic acid	CH3COCOOH	CH3COCOO-	3.16×10-3	2.5
Succinic acid(1)	HOOCCH2CH2COOH	HOOCCH2CH2COO-	6.17×10-5	4.21
Succinic acid(2)	HOOCCH2CH2COO-	-OOCCH2CH2COO-	2.3×10-6	5.63

표 1 생리적으로 중요한 물질들의 해리상수

Henderson-Hasselbalch 식은 산과 짝염기를 함유하는 용액의 pH와 함께 어떤 약산의 Ka'를 연결한 편리한 식이다. 이 식을 유도하기 위해서는 먼저 산 HA의 해리에 의해 유리되는 수소이온농도에 대하여 풀어야 한다. 약산 HA의 해리상수는

이므로 [H+]에 대하여 풀면 다음과 같이 주어진다. 

양변에 음의 대수를 취하고 pH의 정의를 사용하면

pKa' = -log Ka'로 정리하면

이 되며 대수의 특성을 이용하면 위의 식은 다음과 같이된다.

이 식이 Henderson-Hasselbalch 식이며 반응 혼합물의 pH 조절에 사용되는 완충액의 특성을 예견하는데 편리하게 이용할 수 있다. 완충액에서 산의 농도 [HA]와 짝염기의 농도 [A-]가 같은([HA] = [A-]) 경우에 [A-]／[HA] 비는 1이고 1의 대수는 0 이므로 용액이 같은 농도의 약산과 그것의 짝염기를 함유할 때 그 용액의 pH는 약산의 pKa' 값과 같다.

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